Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование компонент изменчивости признаков, связанных с приспособленностью, в популяциях дафний

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Исследование компонент изменчивости признаков, связанных с приспособленностью, в популяциях дафний"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ГЕНЕТИКИ, им. Ей. Вавилова

На правах рукописи УДК 575.17: 595, 324

ЯШОЛЬСКИЙ Лев Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОНЕНТ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИЗНАКОВ, СВЯЗАННЫХ С ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬЮ, В ПОПУЛЯЦИЯХ ДАФНИЙ

(03.00.15 - генетика)

Автореферат диссертации на соисканий ученой степени кандидата Сиологических наук

Шсква, 1992

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ГЕНЕТИКИ им. Н. И. Вавилова .

На правах рукописи УДК 575. 17: 595. 324

ЯМПОЛЬСКИЙ Лев Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОНЕНТ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИЗНАКОВ, СВЯЗАННЫХ С ПРИСПОСОБЛЕННОСТЬЮ/ В ПОПУЛЯЦИЯХ ДАФНИЙ

С 03.00.15 - генетика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва, 1'392

Работа выполйена:в Институте Общей Генетики им. И. И. Вавилова РАЕ

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат биологических наук

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор биологических наук А. Г. Креславский 4

кандидат биологических наук .' ' А. В. Рубанович '

, • • й ВЕДУЩЕЕ УЧРЕЖДЕНИЕ: Биологический Научно-исследоватедьск Институт Санкт-Петербургского Государственного Университета •

Защита состоится "_" ,_' 1992 г. в _ на

заседании специализированного Ученого совета Д002. 49.01 при Институте Общей Генетики РАН по-адресу: Шсква, ул.Губкина, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОГен РАН.

Автореферат разослан __ 1392 г.

Б. А. Калабушкин

Ученый секретарь

1

канд. 5иол. наук

Г, Я Полухмиа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тема Исследования компонент изменчивости ко-■¡ественных признаков и их связи с изменчивостью моногенных генаков имеют больше значение для предсказания скорости и зделов шпсрозволодионных преобразований в природных популяциях з селекционных задачах. Кроме этого, данные о факторах, опре-пяших ту или иную часть изменчивости, необходиш для изучения ганизмов поддержания полиморфизма, как по моногенным, так и по яигенным признакам.- Наиболее- -ваяными . с точки зрения таких следований являются данные о признаках, связанных с приспособ-нностыо, их взаимосвязи с моногенными признаками, и нормах ре-ции этих признаков. ■ -..>•■•:.

•Наконец, интерес к количественным■оценкам компонент измен-вости в различных условиях.среды связан с, проблемой стабиль-сти и пластичности ■ природных популяций и,-'.их''"поведения в . стрзкадьтк условиях среды {в т.ч. при антропогенных воз-Пствиях), а следовательно, ' - с необходимостью теоретического Основания. програш охраны и оптимального использования природ-к ресурсов.

Дафшот и другие ракообразные из подотряда ветвистоусых ^изЬасеа:^ ШасЗосега) представляют собой прекрасный модельный Уьект для изучения генетической изменчивости- -и механизмов ее эддергания. Дафнии размножаются путем циклического партеногене-1, что позволяет исследовать-генетическую изменчивость лопуля-зй, используя в экспериментах, клоны, состоящий из генетически' цеятпчшя особей. - Это создает позшгнюсть.. оценивать изменчи-ооть внутри генетически однородных клонов, , а тага« изучать фэ-ог;ткческуп цзкзнчпеость/одних и тех ке генотипов разных средо-!.'.-: условйяз. 1

Еро® этого, пакоторнз особенности'биологии дафний, такие, а; скроков распространение, высокие 'численности популяций, ос-осктэльнал простота содержания. в лабораторных условиях и непро- -. дшгеедьность жизненного цикла делает их удобным объектом для £бораторны» и полевых исследований. Целый ряд количественных ризнак-ов, тесно связанных с приспособленностью, легко поддается ¡гмзретйо в лабораторных условиях, и у -тавотных, выловленных в, ¡риродных популяциях. К таким цри?иакам .прежде всего относятся . родовитость, длина тела йотомства, скорость индивидуального

развития.

Цели и задачи исследования. '■ Основные цели работы состояли в ивучении изменчивости количественных признаков, связанных с приспособленностью: получение оценок наследуемости количественных признаков в разных средах, оценок- взаимодействия генотип-среда и данных о нормах реакции признаков, изучение взаимосвязи между изменчивостью аллозимных локусов и изменчивостью количественных признаков.

Отметим, что, следуя ставшему в мировой литературе; общэпри-нятым применению термина "норма реакции", мы будем вкладывать в этот термин смысл "функция,, описывающая зависимость фенотипа от среды" или ."регрессия,. связывающая, февотипические значения признака со средовой переменной". Это понимание несколько отличается от встречающегося о русскоязычной литературе и, на наш взгляд, неоправданно зауженного, применения термина "норма реакции" в значении "диапазон возможных фенотипов".

Конкретные задачи работы состояли в следущем:

1. Оценить генетическую компоненту изменчивости скорости Индивидуального роста дафний, размера тела новорожденных, размера тела и возрзста в момент первого размножения,' плодовитости пар-теногенетических особей, ..а-также способности к половому размножению. Получить эти оценки в различных условиях среды (при рад-личных концентрациях пищи или разной плотности популяции).

2. Исследовать нормы реакции;количественных признаков и роль взаимодействий генотип-среда в их изменчивости. ■ : " '

3. Оценить фенотипические и генетические корреляции ыо&ду различными признаками и между значениями признака, формирувада-мися в различных средах. .

4. Оценить уровень.полиморфизма по аллозньшиа локусам и изучить связи между адлельныы составом и гетерозитотностыэ по этим локусам и изменчивостью количественных, лрианаков в эксяеримен-. тальных условиях. ; . ....

5. Проанализировать- динамику- • частот геноткпоэ волишрфиых локусов и взаимосвязь между генотипами подшорфных локусов и количественными признаками в природной популяции.

6. Проанализировать возможные ыаханизш поддержания изменчя- • вости полигеяных и моногенных локусов.

Научиаа шшзка рабоил. Шяучекы оценки- компонент изменчивости количественных признаков, связанных с приспособленностью.

для большого числа .клонов из природной популяции дафний. Показано наличие генетической кошоненты в определении соотношения полов в потомства и способа размножения в клонах дафний. Показано, что наследуемость количественных признаков и генетические корреляции мэвду ними максимальны в оптимальных условиях среды. Обнаружено взаимодействие между влиянием среды и гетерозиготности по аллоаимным локусам, выражающееся в том, .что наиболее гетерозиготные клоны в. наименьшей степени подвержены влиянию среды. Показано, что сезонное изменение генотипического состава популяции в значительной мере связано с изменением средней гетерозиготности.

Пракпгчостиш аиачкщсть. Полученные данные о компонентах генетической изменчивости в-популяциях дафний позволят предсказывать' старость и пределы фенотипической эволюции признаков, непос-. редственно влияющих на продукцию биомассы популяций скорость индивидуального роста, плодовитость.), Практическая значимость этого связана с тем, что популяции дафний являются важным элементом пищевых цепей в природных.и рыбоводных водоемах, осуществляющим эффективную трансформацию первичной продукции водоемов в продукцию, доступную для питания рыб, в том числе ценных пород рыб-планкто-фагов (ряпушка, пелядь, сиги и др.) а также молоди практически зсех хозяйственно важных видов рыб.

Апробация работы. Материалы диссертации долом; ны на ме«лабораторных семинарах Института Общей Генетики им. Е И. Вавилова РАН, каф. зоологии позвоночных, и общей экологии МГУ; Зоологического Института Базольского Университета (Швейцария), на 2-м конгрессе "Экология и таксономия кладоцер" (сентябрь 1989 г., Татранска Ломница, 'ЧСФР), на ютнфереиции Лондонского Королевского Общества "Репродуктивные стратегии", (октябрь 1990 г. , Лондон) , на 3-ем конгрессе Европейского Общества Эволюционной Биологии (сентябрь 1991 г., г.Дебрецен, Венгрия).

Структура и объем дкссерчацля Диссертация состоит иэ введения, 10 глав, заключения и выводов. Список использованной литературы содержит 183 ссылку. Текст диссертации изложен на 122 страницах, включает 25 таблиц и 16 рисунков.

- 6 -МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

Методы лабораторных экспериментов и анализа данных.

Объектом для экспериментального исследования служили клоны Daphnia magna, полученные из популяции одного из прудов, Московского Зоопарка (эксперименты 1 и 2) и иг небольшого пруда в окрестностях Форшайма, Германия (эксперимент 3) . Для экспериментов 1 и 2 клоны были получены из покоящихся яиц, à для эксперимента .3 - от самок, выловленных непосредственно в природной популяции через 2 месяца после начала партеногенетического размножения.

Для экспериментов по оценке изменчивости количественных признаков потомстьо каждого клона в возрасте не более 1 суток было помещено в пробирки с различными концентрациями корма, которым служили водоросли (в эксперименте 2-е добавлением дрожжей). В опыте. 1 было использовано непосредственно потомство особей, развившихся из эфиппиальных (покоящихся) яиц. В опытах 2 и 3 каждый клон был представлен 2-4 субклонами - повторностями, содержавшимися изолированно в течение 2 поколений перед опытом.

В ходе этих экспериментов были измерены следующие количественные признаки клонов дафний: возраст и длина телà в момент первого размножения, плодовитость, длина тела новорожденных (опыты 2 и 3), доля самцов-в потомстве и число произведенных зфиппиев (опыт 2).

Основным инструментом статистической обработки данных служил дисперсионный анализ. Применялся однофакторный дисперсионньа анализ с фактором "клоны" при каждой из концентраций пищи, i также смешанная модель двухфакторного дисперсионного анализ) (Sokal, Rolph, 1981) с клонами в качестве случайного фактора а концентрацией пищи в качестве фиксированного.. I

Для оценки связи изменчивости количественных признаков В генотипами и гетерозиготностью аллоаимных локусов на фоне: разлиШ чий между клонами был применен, двухфакторный иерархический . дисИ персионный ■ анализ. В

Вклад в изменчивость взаимодействия между генотипом и среН дой оценизали двумя способами: в двухфакторном дисперсионнв анализе и путем сравнения наклонов регрессии фенотип-среда В разных клоков. H

Анализ проводили с помощью пакетоз SAS, Systat, а также орН

гинальных программ. H

- 7 -

Методы электрофоретиче ских исследований.

Злектрофоретическое разделение изоферментов проводили по стандартна* методикам электрофореза в полиакриамидном геле с использованием трис-ЭДГА-боратного буфера.... Экстракцию белков проводили в экстрагирующем буфере (трис-HCl, pH 8.0), содержавшем цистеин (400 ' мг/л), аскорбиновую кислоту (4 г/л), слеш 2-меркаптозтанола, 0,5Z Тритона Х-100 и 20 Z сахарозы.

Специфическое окрашивание на ферментативную активность проводилось. стандартными методами, адаптированными для дафний (Wolf,1982), с небольшими модификациями. Всего было проанализировано 20 локусов (14 ферментных систем).. Полиморфными окаеались 5 локусов: эстеразы (Est)„ щелочной фосфат азы (Alk), лейцинами-нопейтидазы (Lap), фосфзглюкоивоиеразы (Pgt), фосфоглюкомутазы (Pgm). Средняя гетеро8иготность на докуо составила 0,079.

. Методы полевых исследований.

Объектом для исследования служила популяции Daphnia magna, обитающая в большом пруду Московского'зоопарка. Отлов животных производили- с помощью планктонной сети с диаметром входного отверстия 13.6 см путем горизонтальных ловов. - Одновременно определяли концентрацию фитопланктона^ .

Подсчет организмов зоопланктона проводили в камере Богоро-! ва., Определяли численность молоди, взрослых самок и самцов, учи: тывали долю самок с партеногенетическими и зфиппиальными. яйцами, число яиц, а также численность других планктонных организмов, ¡среди которых практически 100%. составляла D. pul ex.

В каддую из дат в выборку дщ. электррфоретического анализа [отбирали не менее SO особей (кактфавйло 110-150). При наличии в ¡популяции самцов и эфштиальных самок они также включались в выборку. В. несколько дат была также сделана выборка неполовозрелых (особей. Каждая из особей была охарактеризована по 4 локусам: |Est, Lap, Pgi, Pgm.

Для оценки генетической дифференциации использовали X -тест [гетерогенности. Кроме этого, были применены многомерное, шкалирование и кластер-анализ, основанные на генетическом сходстве по' Ьхивотовскому (1979) а.такж комбинированном показателе сходства «КалрЗушкин, .Салменкова, 1988). ...

- в -

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Компоненты изменчивости признаков, связанных с приспособленностью.

Результаты дву>.факторного анализа влияния концентрации пищи, клонов и их взаимодействия, полученные в эксперименте .1; «оказаны в Табл. 1. Из этой таблицы видно, что концентрация пищи является высоко значимым фактором, определяющим рассматриваемые признаки. Различия между клонами оказались достоверными в 4 из 6 случаев. Для трех признаков - длительность развития, число яиц в первой кладке и общего числа потомков достоверным, оказалось взаимодействие. Оакыриалъная доля дисперсии, связанная с взаимодействием, достигает 0,27 для общего числа потомков.

Проверка достоверности различий медду клонами по схеме неполного двухфакторного дисперсионного анализа (т.е. с использованием объединенной дисперсии .взаимодействия ', и случайной дисперсии) показывает, что межзональные различия сохраняются только для длительности развития, длины тела в возрасте б дней и общего числа потомков (на уровне значимости 0,01, 0,005 и 0,05, соответственно).

В эксперименте 2 аналогичные данные получены для признаков,* характеризующих интенсивность участия клонов в половом размноке-.: нии, а именно для доли са\щоь в потомстве и частоты продукции зфиппиев. Так, были клоны, в которых в течение всего эксперимента не появилось ни одного самца; в других клонах, доля, самцов в потомстве составляла 80 и более %. Клоны сильно различались между собой и по частоте продукции зфштиеь г от. 0,1 до-2,.О эфиппи-: ев на самку. - -

Результаты тестов на меиклональные различия по признакам, связанным с половым размножением представлены в таблице 2.; Мзяк-лональные различия высокодостоверны; генетические факторы .объясняют значительную долю дисперсии соотношения полов в потомстве и частоты появления зфиппиев (562 и 297. соответственно):

Таблица l.

Результаты дисперсионного анализа шести количественных знаков дафний, содержавшихся при различных концентрациях ли-Здесь и далее d. f. - число степеней свободы, MS - средние драты, F - значения F - статистики, Р - уровень значимости.

' - Table 1.

Two-way ANOVAs of six life-history traits in 20 Daphnia nes under three food concentrations. Traits des 1 gnatlon: Am -at maturity, F1 - number of eggs in the first clutch, Lm -iy length at maturity, L6 - body length at 6 days, SI - spina igth, T - total number of offspring.

Г-- / ...... - ■--------- ПРИЗНАКИ

!Т0ЧНИКИ Длительность Число яиц в. 1 Длима тела при |

юперсии d.f. развития 1 Am) первой кладке первом размножа-|

(П> НИИ (Ш |

- MS- F Р МЭ ? Р МЗ Г Р . |

ЗНЦЕНГ РА-

ЙЯ ГОШ 2 49.97 15,9 0,001 43,67 11,8 0,001 102,5 17,8 0,0011

mm 19 4.39 2,64 0.001 3,22 2.03 0,025 '2,410,53 п.з. |

ЗАШЭ- 33 3,16 1,89 0,025 3,69 2,31 0,001 5,76.1,26 п.з. I

ЛУЧАШАЯ 59 1,68 1,69 '4,-57 |

Длина тела в Длина шипа Общее число 1

возрасте 6 сут. возрасте 6 сут. потомков |

(L6) (ЗЬ) (Т) |

MS F Р МБ Р Р. 16 ? Р I

ЮНЦЕНТРА-

ш шши г 165,9 16,9 0.001 148,8 45,5 0,001 74,33 15,4 0,0011

шш 19 25,39 2,98 0,001 2,81 0,57 п. 3. 16,1-2 3,33 0,001)

ВЭАИМ^- 39 9,79 1,19 n.s. .3,27 0,66 п.з. 15,93 3,29 0,001|

ЙЕЙОТШ

СЛУЧАЙНАЯ 59 \........ 3.53 4,92 4,83 | 1.............^

' ' ' . - 10 -

. " Таблица 2.

Результаты дисперсионного анализа доли самцов б потомстве i частоты продукции зфиппиев ь клонах дафний, содержавшихся npi различной плоности популяции..

Table 2.

Two-way ANOVAs of offspring sex-ratio iR) and ephippiut frequency (E) in .30 Daphnia clones under 2 population densities.

Источники d. f. MS F . P дисперсии , Доля самцов в потомстве (R)

ПЛОТНОСТЬ 1 0.078 0.96 0.35

КЛОНЫ 29 0.891 24:08 0.0001

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. 24 0.081 2.20 0.003 • СЛУЧАЙНАЯ .101 0.037 ДИСПЕРСИЯ

Частота продукции зфиппиев iE)

ПЛОТНОСТЬ 1 186.8 16.67 . 0.0001. '

КЛОНЫ 29 67.3 11,80 0.0001

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 24 11.2 , 1.96 0.007

СЛУЧАЙНАЯ 101 5.7

ДИСПЕРСИЯ . ■ .

Обращает на себя вникание такяэ достоверность' взаимодействий генотип-среда, показыващэе, wo клоны отличаются друг от друга не только по частоте появления самцов и эфиппнапьных самок, но и по реакции на воздействие среды {в данном случае плотности популяции).

' Таблица 3 показывает результаты анализа ,пар. сестринских клонов. Различие между парами клонов не достоверно по продукции эфиппиев,1 но высокодостоверно по доле самцов в потомство. Этот результат свидетельствует о том, что в наблюдаемой межлональкоЯ генетической изменчивости может присутствовать значительная аддитивная компонента.

, - It -

Таблица 3.

Дисперсионный анализ различий между парами сестринских кло-ов при двух плотностях популяции (смешанная модель, диеперсион-ого анализа с иерархическими эффектами). Клоны рассматриваются ак случайный фактор нижнего уровня; пары клонов - как случайный актор верхнего уровня; плотность популяции - фиксированный Фзк-ор.

Table а

Three way ANOVAs with a nested effect of offspring sex •atlо (R) and ephippium frequency (E) in 7> sibling pairs of slones under 2 population densities (clones are nested within >airs). ...

Источники d. f, Ш F p дксперсЕМ Даля самцов в потонстсе (Rl .

Пары клонов 6 0.297 8.99 0.005

. КНОИЫ . . 7 0.033 2.54 0.05

плотность 1 0.099 7.07 0.05

Шотность*льры б 0.014 1.12 0.37

Шотность«чслоиы 4 0.011 0.87 0.49

Случайная 41 0.013 дисперсия

Частота продукции эфиппиев (Е)

Шры клонов ' 6 7.03 0.47 0.81

Клоны 7 16.03 4.14 0.007

Плотность 66.14 б. 69 0.06

Ш:откость*пары в 11.22 3.09 0.01

Шгатиостьзддаш 4 4.65 1.28 0.39

Случайная 41 3.63

дисперсия

Более подробный анализ вклада взаимодействий геиотип-ореда в изменчивость количественных признаков, связанных с приспособленность» и изменчивости норка реакции этих признаков проведен в эксперименте 3. '

Сравнение оценок вклада взаимодействий, полученных двуьм различию« методами - двухфакторным дисперсионным анализом и методом, сравнения угловых коэффициентов регрессии фенотип-среда приведено в таблице 4. Таблица показывает, что два метода не

всегда дают идентичные результаты. Как показывают некоторые исследования (Глотов, Рахман, 1989; Thotnpson,1991) и наши данные IEbert et al., in press), дисперсионный анализ не вполне адекватен задаче изучения взаимодействий. Сравнение наклонов регрессий дает более несмещенную оценку взаимодействий. Этот метод показывает, что все признаки, кроме длины тела молоди в повдней (4-ой) кладке, характеризуются мемаональными различиями по реакции на. условия среды.

Важную информацию о характере норм реакции разных клонов дают генетические корреляции (т.е. корреляции клональных. средних) между значениями одних и тех же признаков, измеренные в оптимальных и в наихудших условиях (таблица 5). Если линии регрессии фенотип-среда не пересекаются, т.е. одни и те же клоны демонстрируют наибольшие значения признаков й в оптимальных и в экстремальных >.ловиях, то значения коэффициентов корреляции должны быть высокими и положительными. Как Показывает таблица, б, для признаков длина тела при первом размножении и плодовитость коэффициенты корреляции низки, что говорит о том, что нормы реакции равных клонов пересекаются. Этого не обнаружено для размера потомства, поскольку корреляции между, контрастными сред достаточно высоки.

Наличие вклада взаимодействий генотип-среда означает, что разных средах клоны отличаются друг от друга в разной степени т. е. различна генетическая изменчивость признаков. Этот факт ил люстрируется рис. 1, на котором представлены оценки генетическо компоненты изменчивости (т.е. компоненты, связанной с факторо "клоны" в 1-факторном дисперсионном анализе), полученные пр каждой концентрации пищи. На оси абсцисс отложены средние л данной среды значения признака, характеризующие .благоприятное? среды.

Этот рисунок показывает, что оценки генетической компоне изменчивости длины тела при первом размножении и плодовитое заметно возрастают с ростом средних значений этих.призна;: (т.е. с возрастанием благоприятности среды). Точки, полученн для других клонов из той же популяции в независимом энсперимен (Ebert et al., в печати), вполне укладываются в наблюдаемую в висимость. Для других изученных признаков, в частности для тела новорожденных, такой закономерности не наблюдается.

OA Q3 02 ai

ao

1 1 1-1— e® ■45—

- о о о -

- -

- • -

1 ' * , ,1 1 1 1 —

a)

*H

о e 10 1« 20 26

Рис. i. Оценки генетической компоненты изменчивости (Rw) длины тела в момент первого размножения (а) и плодовитости (б), полученные при различных концентрациях пищи. Оэ оси абсцисс отлояены средние для каждой из концентраций пищи значения данного признака. Г - средняя плодовитость, Lm -средняя длина тела а момент первого размножения (мм). Незакрашенные точки В8Я?ы из независимого эксперимента (Ebert et al., in pressl.

Fig. 1. Estimates of the genet leal component (Rwj of' life-history traits variation in different environments (food concentrations): a) - body length at maturity (Lm); 6) -fecundity (F). Food concentration is represented by the environmental means of the traits. Open points are taken • from an independent experiment (Ebert et al., in press)

- н -

Таблица. 4.

Оценки вааимодействия генотип - среда в разных клонах дафний, полученные двумя рааличными способами: а) - в двухфакториои дисперсионном анализе; б) - путем сравнения угловых коэффициентов норм реакц.;.!. Rv - факториальная доля дисперсии углевых коэффициентов, . связанная с различиями нежду клонами.

' ' Table 4.

Genotype*environn»nt interaction estimates obtained in 2 different ways:, a) r (n two-way ANOVAs; 6) - by neans of heterogeneity of slopes analysis of the reaction norms. Rw "-. genetical component of the variation of reaction norms slopes. Lm - length at maturity, G - Juvenile growth rate, F - mean fecundity, NLt and NL4 - neonate body length tn first and fourth clutches. •' •

Признаки Дойна тела Скорость Средняя Длина тела новорожден! при первом лилейного плодовитость в первой в четверге размножении роста молоди кладке кладке

(Lm) (О) (F) l.NLl) (NL2)

а)

d. f.: вваидадействие - 70; остаточн.- 135 F n.s. ' n.s. 1.41 3.68 3.67

Р 0.05 0.0001 0.С001

б)

d. f„: клоны - 14; остаточн. 21 " F ' 2.51 , 3.79 3.64 2.60 1.71

Rw 0.35 0.53 0.51 0.3Э 0.17

Р 0.025 0.003 0.003 0.02 п. s.

Итак, показано, что в изменчивости ряда количественных признаков, связаных с ростом особей, партеногенетическш и половил разизданием присутствует значительная генетическая компонента. Вклад генетических факторов в изменчивость неодинаков в разных условиях среды, т. е. ваблядаюгеп взаимодействия генотип-среда. Для некоторых признаков, в частности для длины тела в момент первого размножения и плодовитости, взаимодействие выражается в том, что мевдональная изменчивость тксииальна в оптимальных условиях среды.

- 16 - v •

Таблица 5.

Пирсоковские и спиркзновские коэффициенты генетической кор-еляции (Rg) между признаками я наилучших и н.-шхулших условиях ксперимента. Р - достоверность отличия от нуля.

Table Б.

Cross-evnironment genetlcal correlations (Rg) between the Ife-history traits estimated in the best and poorest ixperimantal conditions. Pearson's product-nonent correlation, eft coluwv, Spearman rank correlation, right colutm. See Table I for the traits designation.

"¡ризкаки

Длина тела зри первом (Ьгл) равиноязнии Средняя (Г) плодовитость Длина тела новорожденных а 1-й кладке (Ш)

2-й ^ладке (N12)

3-й кладке (МЬЗ)

4-Я' »чадкэ (N1.4)

Корреляция Пирсона

Яг

0.151

-0.262

0.514 0.663 0.528 0.430

Р n.s.

п. s.

0.05 0.01 0.05

п. s.

Ранговая корреляция Спирмзна

Р

RS 0.044 : -0.160

0.258 0. 551 0.493 0. 455 '

0.05

n.s.

П. 3.

0.025

0.05

0.05

2. Связь, изменчивости количественных признаков с генотипами по а&лозимным локусам.

Иерархический дисперсионный анализ показал, что между генотипами отдельных локусов в большинстве случаев отсутствуют достоверные различия по количественным признакам. Лишь в одном случае при средней и в 4 случаях при высокой концентрации пищи влияние аллоэимных локусов иа количественные признаки достоверно на фоне меммовальной изменчивости. Достоверность различий меяду генотипами при еысокпй концентрации пищи, оцененная по биномиальной формуле для множественных тестов (Животовския, 1991), равна 0,045; при средней концентрации пищ влияние не достоверно.

В нескольких случаях полный двухфакторный дисперсионный анализ (с генотипами по аллозимным локусам и концентрацией пиши в качестве фактороь, выявил достоверное взаимодействие между факторами. Так, при сравнении общего числа потомков у особей с разными генотипами по локусу Est было обнаружено, что при низкой концентрации пищи этот показатель выше у гомозигот по. одному ал-лелю, а при высокой концентрации - у гомозигот по другому. Гете-розиготы в обоих случаях демонстрируют промежуточное значение.

В целом можно сделать вывод, что влияние изученных локусов на изменчивость количественных признаков невелико по сравнению с межклоыалъными различиями, неодинаково в разных пищевых условиях и, по-видимому, в большей степени проявляется в благоприятной среде. . ' •

to было также обнаружено ни одного достоверного влияния на значения количественных признаков гетерозиготности по 5 исследованным аллозимным локусам как главного эффекта. Однако для двух признаков - длина тела в возрасте 6 суток и общее числа потомков - обнаружено взаимодействие гете роэ игот пост ь-с ре да. Это вааимО' действие иллюстрируется рис. 2, на котором приведены средние значения этих двух признаков для групп клонов с разной гетерози-готностью при различных концентрациях пищи. Достоверность взаимодействия составляет 0,06 и 0,005 для длины тела и числа потомков, соответственно; в целом же наличие взаимодействия по всей 6 изученных признаков достоверно по критерию независимых вероятностей из уровне значимости 0,005.

Рисунок 2 показывает, что клоны с разным числом гетерозиготных локусов характеризуйся различной реакцией признаков на изменение условий среды. Наиболее гетерозиготные клопы демонстрируют наименьшую разницу между значениями длины тела и числа потомков при высокой и низкой концентрациях пищи; у наиболее гомозиготных эта разница максимальна.

При, анализе связи наблюдаемого эффекта с гетерозиготностью отдельных локусов было обнаружено, что наиболее полиморфные ло-кусы (Pgl, Pgm, Est) по-отдельности вклада во взаимодействие не вносят. По-видимому, наблюдаемое взаимодействие между гетерози-готностью и средой связано с действием многих локусоь.

4

is

№

i 2 Э

0-1 2 3~J И

!c. 2. Средние значения длины »ела в возрасте 6 суток, км caj и общего числа потомков (б) для клонов с различным числом гетерозиготных докусов при трех- концентрациях пищи. И - число гетерозиготных дзкусоз; 1 - концентрация пищи 40 тис. кл. /мл, 2-80 тыс. кл/ил, 3 - 160 тыс кл. /мл. ig. 2. Mean body length at G days (a) and offspring number t6j in Daphnta clones with different heterozygosity level at three food concentrations. H - number of heterozygous loci; 1 , 2 2nd 3 - food concentrations 40000, 80000 and 160000 cells per ml, respectively.

- 18 -

3. Динамика генотипического состава в природной популяции

Анализ временной гетерогенности прудовой популяции показал, что в течение сезона Происходили изменения генотипического' состава, . в особенности сильно затронувшие локус Est. Заметно меня- . лась средняя гетерозиготность: сначала она росла, затем резко упала и вновь возросла к концу сезона Методом многомерного шкалирования показано, что в значительной мере временная гетерогенность генотипического состава связана с изменением средней гете-розиготности. Проекции выборок на первый фактор многомерного шкалирования, объясняющий 777. общей генетической дисперсии между выборками, демонстрируют сильную корреляцию со среднейгетерозиготность» популяции (г—0,83; р-0,001).

В течение всего'сезона (кроме 1 выборки) гетерозиготность, размножающихся самок была выше, чем .неразыногасшихся. (достовер-. ность по критерию знаков - 0,001). Гетерозиготность самцов и эфиппиадьных самок оказалась еда Солее низкой. Сравнение среднего числа гетерозиготных локусов у этих категорий особей при объединении всех выборок приведено в таблице 6. ' . .. •

Обнаружена также заметная гетерогенность генотипического состава мевду партеногенетическими самками, эфиппиальными самками и самцами. Эту гетерогенность удалось связать с различиями в частоте определенных аллелей. Так, в целом по Есем данным гомозиготы по редкому аллелю "2й локуса Pgi

Таблица 6.

Средние гетерозиготнрсти и стандартные ошибки гетерозигот-ности по 4 локусам в разных группах особей (в целом за сезон).

Table 6.

I.fean and standard errors of the number of heterozygous loci in parthenogenetical females,1; females with no eggs,2; ephlppial females, 3; males, 4; and juveniles, 5 (data pooled thruoghout the season).

Н S. Е. достоверность различия

1. партеногенетические самки 1.79 0.06 1 2 3 4

2. неразшюжающиеся самки i: 59 0.05 0,01

3. зфиппиальные самки 1.39 0.10 0,001 0,06

4. самцы 1.34 0.11 0,001 0,25 п. s.

6. молодь 1.57 0.09 0,05 п. s. п. s. п. s,

с гораздо большей частотой оказываются самцами, чём самками и половыми особями, чем партеногенетическими. Сходная ситуация наблюдается и по хркусу эстеразы. Размножающаяся половым путем часть популяции (особенно самцы) сильно обеднена аллелем "1".

. Таким образом, самцы оказываются более сходными генотипичес-ки с зфиппиальными самками, и, в целом, особи, размножающиеся половым путем демонстрируют отличие от партеногеиетических особей. Этот же результат'подтверждается кластер-анализом, основанным на критерии сходства. Рис. 3 показывает, что самцы и эффи-пиальные самки в значительной мере имеют тенденцию формировать общие кластеры, отдельные от кластеров, куда входят выборки пар-теногенетических самок. Еще более четко эта картина проявляется с помощью многомерного шкалирования, основанного на комбинированном показателе сходства. Проекции точек на плоскость, полученные этим методом изображены на рис. 4.

Итак, показано, что аллозимные локусы в природной популяции маркируют клоны или группы клонов, отличающиеся по способности к половому размножению, причем клоны, отличающиеся высокой частотой полового размножения, обладают пониженной, по сравнению с партеногенетическими клонами, гетерозиготностью. Возможно, что этим объясняется возрастание среднего числа гетерозиготных ло-кусов в ряду партенргенетических поколений. Дифференциальное участие генотипов в половом размножении является важным механизмом поддержания аллозимкой Изменчивости в популяции с циклическим партеногенезом. "

4. Анализ возможных механизмов поддержания генетической изменчивости.

Полученные данные позволяют провести анализ возможных механизмов поддержания генетической изменчивости аллозимных локусов и лолигенных признаков в популяции с циклическим партеногенезом. Эти механизмы должны объяснить наличие высокой генетической изменчивости, несмотря на то, что как показывают многие исследования, в ряду партеногенетических поколений генетическое разнооб-'

J if 3 5 1 2 1 1,2455 P P (f P P P E 6 сГ. £ £ О

0,9

0,dL

u

Рис. 3. Кластерный анализ выборок партеногенетических самок (F эфтвдальных самок (Е) и самцов. Цифры обозначают номе выборок.

Fig. 3. Cluster analysis of the ..samples of parthenogenetic females (P), ephtppial females (E) and males.

А 2

О J

lie. 4. 15>оекции выборок эфиппиальных еамок (1), самцов (2) и партеногенетических самок (3) на плоскость двух главных факторов многомерного шкалирования. Стрелками соединены последовательные выборки партеногенетическйх самок. rig. 4. tonal scaling of the samples of ephippial

females (1), males (2) and parthenogenetical females (3), Consequsntal samples of parthenog-enetical females are connected with arrows. .

рааие снижается. за счет- вымирания . части клонов (1.упс11Д984Ь; ЗрЛге, 1991).

Во многих исследованиях в качестве возможного механизма поддержания изменчивости называется временная гетерогенность и непредсказуемость средовых условий. Средовая гетерогенность мо-' жет поддерживать изменчивость в случае, если в. разных условиях либо наибольшими значениями приспособленности характеризуется разные'генотипы, либо различен знак корреляции данного признака с приспособленностью. Первый из этих двух механизмов, по-видимому, ответственен за поддержание изменчивости таких ключевых признаков, связанных с приспособленностью, как плодовитость и длина тела. Для этих признаков обнаружены взаимодействия геио-тип-среда и.показано, • что в контрастных условиях .максимальными значениями признаков характеризуется разные клоны.

Анализ, связи с приспособленностью доли самцов в потомства, проведенный с пошвз>ю-простой имитационной модели,-, воказал, что не существует, определенного оптимального, соотношения полов, а успех в .прдогоа раамиогяиии клопов с той ней иной частотой самцов, с учетом вовгдеиия других клопов, присутствуй;:',: в популяции, определяется дагсельностью условий, благоприятных для партеногенеза. "Таким образом,, связь кзхду долей самцов в потоцстсе и приспособленностью шкгт быть различна в разныз сезоны.

Важнэд особенность партеногенотичесгам популяций состоит в том, что мз^анцзии, .воддерякваадзе генетическую кзишчпвость по-лнгеннцх количестшшщ признаков, иогут поддергивать и полиморфизм аллозидаых' локусов дгжз в том случае, если генотипы по ад-лозшжим ярусам сдучайшаг образом весощшровааа с докуища, вдиялздша на количесгсонпш признай:. 3?о осязано с' тем, что такие кэхадшзш обеспечивают еувзствовапиа-в популяции в чечет» вартеногеиетичесгаго разшюгзши глогих клонов. Если эти клопы* 1с.йи разли'шиэ генотипы по какаы-лкбо, в т.ч. и негяропышм ол-лоаимш локусаы, то это тсц са«ым обеспечив и поддсрглнвэ бпо-хтшческого шшц.гар$и-зма по этим локуоам.

Помимо этого эффекта, как показшаот наши данные, аллозш-аый коувыорфдам: поддеретгеается в крученной популяции ецз я дифференциальным участием генотипов по аллозшшм локусам в- половом размножении а такзв повышенной гетерозиготностью клонов, разшо-. гдашхся путем партеногенеза, Оба этих пеленги позволяют определенным редким аллелям избегать элиминации, причем первое дей-

- 23 - " • '

ствует в многолетнем масштабе, а второе - в течение каждого сезона партеногенетического размножения. ,

. ' выводы ,

1. Показано, что в изменчивости количественных признаков, связанных с приспособленностью партеногенетических особей, а также и способности к половому размножении имеется . значительная генетическая компонента.

2. Обнаружены взаимодействия генотип-среда, которые проявляются в том, что в разных средовых условиях максимальными значениями признаков, связанных с приспособленностью характеризуются разные клоны. '

3. Генетическая компонента изменчивости плодовитости и длины тела в момент первого размножения максимальна в оптимальных условиях среды.

4. Фекотипичеекие и генотипическйе корреляции между различными количествнными признаками, максимальны в. оптимальных условиях среды.

5. Наблюдаются взаимодействия .между концентрацией пищи и средней гетёровиготкостью по .пяти полиморфным докуса«: для наиболее гетерозиготных клонов характерна наименьшая разница значений количественных признаков меэду высокой и низкой концентрациями пиши. Показано, что этот эффект не связан с действием какого-либо из локусов в отдельности.

6. Сезонные изменения в генотипическом составе природной прерывистой популяции в значительной мере связаны с изменениями средней гетерозиготности особей. Наибольшая гетерозиготность характерна для самок, несущих партеногенетические яйца; наименьшая - для эфиппиальных саюк и самцов.

7. Показано, что генетическая изменчивость таких количественных признаков как плодовитость и. длина тела может поддерживаться в популяциях дафний в условиях временной гетерогенности среды за счет взаимодействий генотип-среда.

6. Показано, что. непредсказуемость средовых условий мол объяснить поддержание генетической изменчивости соотношения п дов в потомстве и отсутствие какого-либо оптимального соотнош ния полов.

9. Изменчивость аллозимных локусов может поддерживаться счет взаимодействия между гетерозиготностью и средой, приводят го к возрастанию средней гетерозиготкости в ряду поколений также за счет дифференциального участия генотипов в полов размножении.

По материалам диссертации опубликованы следующие статьи тезисы докладов: 1 ,

1. Yampolsky, L. Yu. Experimental study of genotypi environment interactions In Daphnia magna / 3rd Congress < European Society for Evolutionary Biology. Debrecen, 199: P. 125.

2. Yampolsky, L. Yu and B. A. Kalabushkin, 1991. The component of life-history traits variation in Daphnia magna population/ Hydrobiologia, V.225. N-l. P. 255-261.

3. Ямпольский Л. !d , Калабушкин Б. А. Ыежклональная изменч! вость количественных признаков, связанных с приспособленность» у Daphnia magna// Генетика. V, 27. N-2. Р.

4. Калабушкин Б. А., Ямпольский JL Ю. Влияние гетерозиготност! на изменчивость количественньк признаков у Daphnia magna// Гене тика V. 27. N-2, Р. .

5. Ямпольский Л. КХ , Калабушкин Б. А. Генетическая изменчивое! в прерывистой популяции Daphnia magna// Генетика. V. 27. N-3. f

6. Yampolsky, L. Yu. , 1692. Genetlcal variat ion of' sexi reproduction rate in a population of a cyclic parthenogei Daphnia mngria// Evolution, в печати.

7. Ямпольский Л Ю. Нормы реакции количественных признаков взаимодействия генотип-среда у дафний// Генетика, (в печати).