Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изучение действия отбора по комплексу генов, контролирующих синтез ферментов, в модельных популяциях дрозофилы

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Изучение действия отбора по комплексу генов, контролирующих синтез ферментов, в модельных популяциях дрозофилы"

РГб од

I з ШОН 1995

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ГЕНЕТИКИ И ЦИТОЛОГИИ

УДК 631.52:635.21

МИХАЙЛОВА Мария Егоровна

ИЗУЧЕНИЕ ДЕЙСТВИЯ ОТБОРА ПО КОМПЛЕКСУ ГЕНОВ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ СИНТЕЗ ФЕРМЕНТОВ, В МОДЕЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ДРОЗОФИЛЫ

03.00.15 - генетика

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Минск, 1995

Работа выполнена в Институте генетики и цитологии АН Беларуси

Научные руководители: доктор биологических наук профессор, член-корреспонден! АН Беларуси В.К.Савченко

кандидат биологических наук старший научный сотрудник С.И.Касинская

Официальные оппоненты: доктор биологических наук профессор А.НЛалилова

кандидат сельскохозяйственных наук Ю .Д.Романов

Оппонирующая организация - Институт леса АН Беларуси

Защита состоится 1995 г в /Р часов на заседании

совета по защите диссертаций Д 01. 31. 01. на соискание ученой степени доктора биологических наук в Институте генетики и цитологии АН Беларуси по адресу: г. Минск, ул. Скорины 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АН Б им. Я.Коласа.

Автореферат разослан 19д5г

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций //

кандидат биологических наук С&1 о-------Е.В.Лобанок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. В последнее время большое внимание привлекает проблема генетического разнообразия природных и экспериментальных популяций. Изучение механизмов эволюции генетических популяционных систем в меняющихся условиях среды обитания представляет проблему особой важности, обусловленную уменьшением биологического разнообразия живой природы. Особую актуальность для изучения влияния экологических факторов на природные популяции для республики Беларусь имеют интегральные генетико-экологические подходы, поскольку территория нашей республики отличается довольно напряженной экологической (в том числе и радиационной) ситуацией.

Весьма актуальна и проблема изучения взаимосвязи количественных и качественных признаков, динамики комплекса признаков для решения практических задач, связанных с селекцией. В связи с этим целостный подход к генотипу и фенотипу, к самому процессу отбора ориентирует на исследование взаимосвязанного комплекса признаков.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнена в лаборатории радиационной генетики в 1988-1993 гг. в рамках плановой науч-но-исследовательской работы лаборатории " Изучение стабильности и лабильности генетических систем в процессе эволюционной самоорганизации при ассоциативном отборе, физических и химических воздействиях, экологических стрессах ".

В настоящее время методические приемы, примененные в защищаемой работе, используются при выполнении темы "Исследование генетических и морфоген-етических последствий хронических сочетанных воздействий зенкора и ионизирующей радиации на экспериментальные популяции дрозофилы" (1994-1997 гг.) и государственной программы "Разработать эколого-генетические методы биоиндикации для оценки качества окружающей среды в районах Беларуси с повышенным радиационным фоном" (1995-1996 гг.).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы заключалась в следующем: определить поведение генома в процессе действия естественного отбора: проанализировать изменение генетической структуры популяций в процессе естественного отбора по качественным и количественным признакам под воздействием экологических факторов.

Исходя из поставленной цели, в диссертационной работе ставились следующие задачи:

1. Провести мониторинг динамики генетической структуры экспериментальных популяций по пяти изоферментным локусам.

2. Оцешпъ характер и направление отбора по соотношению частот генотипов, изученных изоферментных локусов.

3. Провести анализ генетического разнообразия экспериментальных популяций, используя показатель энтропии генетических систем.

4. Оценить действие естественного отбора в экспериментальных популяциях, содержавшихся при различных условиях, по элементам приспособленности. Научная новизна полученных результатов. В результате проведенного интегрального генетического мониторинга популяций, включающего блок наблюдений, связанный с оценкой динамики генетической структуры популяций по качественным и количественым признакам в процессе естественного отбора, получены новые данные о генетической реакции популяций на различные экологические условия среды. Выявлено действие естественного отбора в формировании адаптивного полиморфизма изученных аллозимных локусов в экспериментальных популяциях.

Интегральный генетический мониторинг позволил не только проанализировать динамику генетической структуры популяции, но и дал возможность выявить реакцию популяций на разные экологические условия, а также показать связь генетической структуры и элементов приспособленности в популяциях. Прастическая значимость полученных результатов. Разработанные мегоды анализа могут послужить вкладом в развитие теории селекции и эволюции. Результаты и подходы, примененные в работе, могут быть использованы в природоохранительных мероприятиях Беларуси по сохранению и поддержанию биологического разнообразия природных популяций.

Экономическая значимость порученных результатов. Закономерности поведения популяций при различных экологических условиях могут быть использованы в качестве прогноза в селекции.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

—Действие естественного отбора под влиянием экологических факторов привело к изменению генетической структуры экспериментальных популяций дрозофилы по частотам аллелей изученных электорофоретических локусов.

—Направление и характер действия естественного отбора в экспериментальных популяциях дрозофилы зависит от функциональной роли и частоты аллелей в исходных поколениях популяций и прямого влияния исследуемых экологических факторов (температура, этанол в питательной среде).

—Установлено, что в процессе мониторинга генетической структуры экспериментальных популяций сформировалась устойчивая ассоциация аллелей, имеющая адаптивный характер, что явилось формой конкретного проявления сдвигов в структурной организованности генома как целостной системы.

— Мониторинг элементов приспособленности экспериментальных популяций дрозофилы показал, что их количественные параметры связаны с изменением

(енетической структуры популяций но изученным энзимным локусам в процессе естественного отбора.

Личный вклад соискателя. В основу работы, выполненной с 1988 по 1993 год, положены результаты биохимического анализа генетической структуры экспериментальных популяций дрозофилы методом электрофореза [Ауа1а, 1972], проведенные соискателем в лаборатории теоретической генетики, под руководством ст.н.сотр., к. б. и. С. И. Касинской. Эколого-генетический мониторинг' элементов приспособленности (60 поколений) выполнен лично соискателем. Оценка индекса конкуренции экспериментальных популяций проведена совместно с н. сотр., к. б. н. И. В. Глушковой.

Апробация результатов диссертации. Результаты исследований и материалы диссертационной работы докладывались автором на 2-й Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений и животных" (Кишинев, 1984); на 3-й Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений и животных"(Кишинев, 1987); на II Всесоюзной конференции по проблемам эволюции (Москва, 1988); на VI Всесоюзном совещании по проблемам биологии и генетики дрозофилы (Одесса, 1989); на Первой Всесоюзной конференции по генетике насекомых (Москва, 1991); на VI съезде Белорусского Общества Генетиков и Селекционеров (Горки, 1992). Опубликованность результатов. Основные научные положения диссертационной работы изложены в 12 научных изданиях, из них 5 статей - в бывших союзных изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, изложения состояния вопроса по данным литературы, материала и методик, четырех экспериментальных глав, содержащих 42 рисунка и 9 таблиц; заключения, выводов и списка использованных источников, включающий ^^наименования, из которых иностранных авторов. Диссертация также содержит приложение, состоящее из табличного материала (35). Обьем диссертации страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Синтез экспериментальных популяций дрозофилы. Для создания исходных экспериментальных популяций использовали 4 лабораторные линии ОгоэорЫЫ melanogaster: Домодедово-18, Дилижан, Фрунзе, СаШоп-Н. Предварительно определяли генотип каждой из данных линий методом электрофореза (табл. 1) и предполагаемый вклад генотипов исходных линий в синтезированные популяции по элементам приспособленности.

Таблица 1

Генотипы лабораторных линий дрозофилы

по энзимным локусам

Линия Д-18 Дилижан Фрунзе Canton-S

Локус Генотип Генотип Генотип Генотип

Adh FF SS FF SS

a-Gpdh FF FF SS FF

6-Pgd SS FF FF FF

Est-6 FF SS FF SS

Скрещивание особей этих линий проводили в 2 этапа по следующей схеме:

1.25 Фрунзе X 25 (/Домодедово-18;

25 о Canton-S X 25 с?Дилижан.

П. 25 ç Fi (Фрунзе X Д-18) X 25 c/Fi (Canton-S X Дшшжан);

25 ç Fi (Canton-S X Дилижан) X 25 c?Fi (Фрунзе X Д-18);

25 £ Fi (Фрунзе X Домодедово-18) X 25 о" Фрунзе;

25 ç Fi (Canton-S X Дилижан) X 25 d*Canton-S.

Первый этап: скрещивание линий между собой. Второй этап: прямое и обратное скрещивание гибридов, полученных от первого этапа, а также скрещивание гибридов с линиями Фрунзе и Canton, для того чтобы все линии внесли равный вклад своего генотипа в синтезированные популяции.

Таким образом, были синтезированы три исходные гетерогенные популяции, содержавшиеся при различных экологических условиях: популяция А, содержавшаяся при стандартной температуре 25° С (контроль); популяция В, содержавшаяся при колеблющейся комнатной температуре (16-20° С); популяция, содержавшаяся при стандартных температурных условиях (25° С), на питательной среде с добавлением 12 % этанола.

Электрофорез и гистохимическое выявление ферментов. Анализ генетической структуры синтезированных гетерогенных популяций проводили через каждые 5 поколений методом электрофореза в 12,5% крахмальном геле [Ayala et al., 1972] по частоте F-аллеля локусов: алхогольдегидрогеназы (Adh), а-глицерофосфатдегид-рогеназы (a-Gpdh), гексокиназы (Нех-С), эстеразы-6 (Est-6), 6-фосфоглюконатде-гидрогеназы (б-Pgd), фумаразы (Fum), фосфоглюкомугазы (Pgm), малик энзима (Mdh-NADP), кислой фосфатазы (Acph-1), щелочной фосфатазы (Aph). Из популяции брали выборку 150 особей и подвергали их индивидуальному электрофорезу, причем экстракт отдельной особи использовали для анализа электрофоретической подвижности всех изучаемых ферментов (рис. 1).

1 |Х|

1.91

[(Гб*

6-Pgü]

1

| /3.5 - - Нсх-С|

| 50.1 - -Adh |

120.5 - - Gpdh |

101.1 -

53.1 17.7

43 4-I 36.8

-Acph-1

Mdh-NADP

• Aph

Pgm Efit-ßl

Рис. 1. Схема генетической карты хромосом Drozophila mclanogaster по

изученным локусам. При анализе генетической структуры популяций по качественным признакам использовали изоферментные маркеры, различия по электрофорешческой подвижности которых обусловлены аллельными замещениями в структурном гене.

Динамика экспериментальных популяций по количественным признакам. Оценку естественного отбора в экспериментальных популяциях проводили эколо-го-генетическими методами по динамике следующих элементов приспособленности: средней и накопительной численности популяций; соотношению полов; длительности онтогенеза и массе тела особей. Учет этих параметров проводили в каждом поколении в течение всего периода мониторинга. В конце последнего оценивали общую приспособленность популяций (индекс конкуренции) [Jungen, Marti, 1979].

МОНИТОРИНГ ДИНАМИКИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ ДРОЗОФИЛЫ ПО КОМПЛЕКСУ ЛОКУСОВ, КОДИРУЮЩИХ СИНТЕЗ ФЕРМЕНТОВ

Для характеристики преобразования генетической структуры синтезированных гетерогенных популяций во времени была проанализирована динамика частоты аллелей энзимных локусов, локализованных во всех хромосомах генома дрозофилы. Мониторинг генетической структуры экспериментальных популяций проводили по полиморфным локусам: алкогольдегидрогеназы (Adh), а- глицерофо-сфатдегидрогеназы (а -Gpdh), гексокиназы (Нех-С), эсгеразы-6 (Est-6), 6-фосфоглюконатдегидрогеназы (6-Pgtl).

Необходимо отметить, что в начале мониторинга синтезированные генетически гетерогенные популяции находились в неравновесном состоянии по частоте аллелей. Поэтому в неравновесных популяциях действовал направленный отбор в пользу F- или S-аллеля изученных локусов. За этот период в

популяции устанавливается частота аллелей, близкая к их частотам в природных популяциях, что согласуется с исследованиями [Rasmuson et al., 1967; Kojima, Yarbrough, 1967; Ayala, 1972]. В дальнейшем, когда в популяции устанавливается равновесное соотношение частот аллелей, отчетливо выявляется влияние факторов среды (температура, этанол в среде) на уровень частот аллелей изученных локусов, что согласуется с рядом исследований, в которых показано отклонение генной частоты некоторых локусов в контрольных и экспериментальных популяциях дрозофилы, при изменении температуры и различных пищевых добавок в среду [Bijisma-Meels, Delden,1974; Jonson and Powell, 1974; Costa, Reardmore, 1980; Costa and Nigro, .1985].

Динамика частоты аллелей локуса Adh. Биохимическими исследованиями установлены характерные различия в уровне активности и устойчивости аллозимов Р и S. Так, аллозим F обладает большей активностью, но пониженной стабильностью, тогда как аллозим S обладает противоположным качеством [Vigue, Johnson, 1973; Day et al., 1974]. Отмечена клинальная географическая изменчивость по частотам аллелей локуса Adh, связанная с градиентом факторов среды, таких как температура и влажность [Pipkin, 1973; Anxolabehere, 1976; Cioneriddo, Vigue, 1978; Delden et al., 1978; Clare et al., 1979; Alahiotis, 1982]. Частота F-аллеля в 0-ом поколении д ля всех трех экспериментальных популяций была 0.56 (рис. 2).

Направленный отбор в пользу то F- то S -аллеля происходит до установления равновесия по частотам аллелей. В контрольной популяции равновесие устанавливается при частоте F-аллеля 0.63. Уровень частоты F-аллеля зависит от влияния изучаемого фактора среды. Самое значительное повышение частоты F-аллеля (0.70) происходит в популяции, содержавшейся при комнатной температуре (16-20°С). Алкогольдегидрогеназа катализирует окисление первичных и вторичных спиртов в соответствующие альдегиды и кетоны. Все это может служить основой для действия отбора на локус Adh на этаноловой среде. Однако, как предполагают некоторые авторы, основной механизм клеточной детоксификации наблюдается лишь при относительно низких концентрациях этанола [McKenzie, McKechnie, 1978]. Возможно поэтому некоторыми исследователями не обнаружено значительного селективного эффекта алкоголя на частоту гена AdhF [McKenzie, Parsons, 1974; McKenzie, McKechnie, 1978]. В нашем эксперименте добавление в среду 12% этанола также не вызвало значительного повышения частоты быстрого аллеля локуса Adh по сравнению с контролем.

Динамика частоты аллелей локуса a -Gpdh. В наших экспериментальных популяциях частота F-аллеля в исходном поколении составляла 0.81, a S- аллеля -0.19. В начале мониторинга отбор действовал против доминантного F-аллеля. В

контрольной популяции равновесное сотношение частот аллелей установилось,

Рис. 2. Динамика частоты F-аллеля локусов Adh, Hex, Est, Pjjii в экспериментальных популяциях дрозофилы.

когда уровень частоты S-аллеля достиг - 0.32-0.33. В популяции, содержавшейся при комнатной температуре (16-20° С^ отмечено постепенное снижение частоты F-аллеля до 0.72-0.73 и ее колебание в этих пределах до конца мониторинга. При изучении выживаемости взрослых мух трех генотипов a-Gpdh не выявлено зависимости от температуры [Shenfeld, McICechme, 1979; Charles-Palabost, 1984]. В популяции, содержавшейся на питательной среде с добавлением этанола, исходное соотношение частот аллелей было оптимальным и частота F-аллеяя на протяжении всего мониторинга колебалась незначительно. Это свидетельствует о том, что на этано-ловой среде селективное преимущество имеет локус a-GpdhF. По-видимому, глице-рофосфатдегидрогеназа может вовлекаться тем или иным образом в метаболизм этанола. При высокой концентрации этанола в корме, возрастает частота высокоактивного аллеля Adh'1 и, соответственно, соотношение НАДН+/НАД+. Можно предположить, что существует функциональная взаимосвязь между локусами Adh и Gpdh, расположенными во второй хромосоме.

Динамика частоты аллелей локуса Нех-С. Гексокиназа - важный фермент первой стадии гликолиза, который катализирует фосфоршшрование Д-глюкозы и других гексоз.Частота F-аллеля в О-вом поколении была очень низкой и составляла 0.05

(см. рис. 2). Во всех экспериментальных популяциях в начале мониторинга происходит увеличение часто! и F-аллсля. Равновесное соотношение частот аллелей в контрольной популяции достигается при уровне частоты F-аллеля 0.28; в популяции, содержавшейся на питательной среде с добавлением этанола равновесие достигается при более низком уровне частоты F- аллеля (0.16); в популяции, содержавшейся при колеблющейся комнатной температуре, равновесное соотношение частот аллелей устанавливается, когда F-аллель достиг частоты равной 0.38. Динамика частоты аллелей локуса Est-б. Эстераза-6 Drosophila melanogaster относится к неслецифическим ß-карбоксилэстеразам. Эстераза-6 является компонентом семенной жидкости самцов, и участвует, по-видимому, в процессах, связанных с репродуктивной функцией [Richmond et at., 1980; Richmond et al.,1990]. Гипотеза существования адаптивною полиморфизма по локусу Est-б подтверждается в ряде исследований [Dolan, Robertson, 1975, Clegg et al., 1976]. В наших исследованиях частота F-аллеля в 0-м поколении для трех экспериментальных популяций была -0.54 (см. рис. 2). Это довольно высокая частота для локуса list. Поэтому, в начале мониторинга действует направленный отбор с селективным преимуществом S-ал-леля данного локуса. 11осле достигнутого равновесного соотношения частот аллелей, уровень частоты F-аллеля локуса Est был разным в зависимости от условий содержания популяций. Самое значительное понижение частоты F-аллеля происходи! в популяции, содержавшейся на среде с добавлением этанола (0.25-0.24) по сравнению с контролем, где равновесие но соотношению частот аллелей устанавливается при частоте F-аллеля 0.28-0.30. При пониженной температуре уровень частоты F-аллеля составил 0.33-0.34.

Динамика частоты аллелей локуса 6-Pgd. 6-фосфоглюконатдегидрогеназа относится к группе локусов, (гексокиназа, глюкоза-6-фосфатдегидрогеназа, 6-фосфоглю-конатдегидрогеназа, фосфоглкжомутаза), кодирующих ферменты, которые участвуют в метаболизме глюкозы. Эга группы ферментов играет важную роль в физиологии клетки [Kojima et al, 1970; Johnson, 1971]. Преимущество F-аллеля локусов Pgm и 6-Pgd было подтверждено при сопоставлении выживаемости на стадии от яйца до имаго соответствующих генотипов в условиях различных пищевых добавок и при изменении физических параметров среды (температура, влажность) [Biji-sma, van Delden, 1977 ]. В наших исследованиях частота F-аллеля в исходном поколении была 0.84 во всех экспериментальных популяциях (см. рис. 2). В популяции, содержавшейся при стандартных температурных условиях (25° С) равновесное соотношение частот аллелей достигается после снижения частоты F-аллеля до уровня 0.78. Самое значительное понижение частоты F-аллеля происходит в популяции, содержавшейся при пониженной комнатной температуре, когда равновесие достигается после того, как уровень частоты F-аллеля снизился до 0.59.

13 популяции, содержавшейся на питательной среде с добавлением этанола, равновесие в популяции достигается, когда частота F-аллеля снизилась до 0.6В.

11редставленпые данные по мониторингу экспериментальных популяций по называют, что во всех популяциях происходят изменения частот аллелей локусов Adh, Gpdh, Hex, Est, Pgd.

НАПРАВЛЕНИЕ И ХАРАКТЕР ДЕЙСТВИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ОТБОРА В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ ДРОЗОФИЛЫ Направление естественного отбора зависит от частоты аллелей в исходных копуляциях и модифицирующего влияния исследуемых экологических факторов. Интенсивность отбора, оцениваемая по коэффициентам Si и S? также отражает зависимость изменения генетической структуры от влияния экологических условий. Процентное соотношение фактических и теоретических частот генотипов для каждого поколения характеризует направление естественного отбора и позволяет определять за счет чего происходят изменения F- или S -аллелей.

Направление и характер действия естественного отбора по локусу Adh. Н исходном поколении для трех экспериментальных популяций характерно преобладание гстерозигот (0.61). В начале мониторинга селективное преимущество имел то F-аллель, то S-аллель за счет уменьшения частоты FS-генотипов. Поме установления равновесного соотношения частот аллелей, в конце мониторинга селек тивное преимущество сохраняется за быстрым аллелем локуса Adh для всех экспериментальных популяций.

Направление и характер действия естественного отбора по локусу a-Gpdh. В начале мониторинга частота генотипа SS была незначительной (0.05). В контрольной популяции в этот период селективное преимущество имел S-аллель за счет увеличения как частоты FS, так SS-генотипов. В популяции, содержавшейся при добавлении в питательную среду этанола, соотношение частот генотипов практически не менялось на протяжении всего мониторинга, что говорит о том. что при данных экологических условиях соотношение частот аллелей было близко к равновесному состоянию популяции. В популяции, содержавшейся при колеблющейся комнатной температуре, в начале мониторинга селективное преимущество имел S-аллель за счет некоторого повышения частоты SS-генотипа. Частота FS-re-нотипа на протяжении мониторинг а практически не изменялась (0.29-0.30). В конце мониторинга, когда популяции сбалансированием можно отметить селективное преимущество F-аллеля локуса Gpdh для всех популяций,

Направление н характер дейст вия естественного отбора по локусу Нех-С.

Частота генотипа FF в исходном поколении равнялась нулю (рис. 3). В неравновесных модельных популяциях в начале мониторинга повышение частоты F-аллеля происходило как за счет увеличения зигот FF, так и гетерозигот FS.

55 45

К

I 35

UJ § 25

О 15 а

5 0

ш

□ SS QFS

□ FF

0%

20%

40% 25<с ео%

0% 20% 40% 60% Ю% 100% 12% ЭТАНОЛА

СООТНОШЕНИЕ ЧАСТОТ ГЕНОТИПОВ

Рис. 3. Соотношение фактических и теоретически ожидаемых частот генотипов по локусу Hex в экспериментальных популяциях дрозофилы

После установления равновесного соотношения частот аллелей, изменение частот генотипов практически не наблюдалось. Наиболее вероятным механизмом отбора может быть частотно-зависимый т. е. большие преимущества получают генотипы, встречающиеся с меньшей частотой [Kojima, Yarbrough, 1967; Kojima, Toban, 1969]. Для локуса Hex в неравновесных популяциях таким был генотип FF. Когда в популяциях установилось балансирующее равновесие, селективное преимущество отмечено для гетерозигот. Добавление в среду этанола вызвало значительное повышение как частоты FF так и FS генотипов.

Направление и характер действия естественного отбора по локусу 6- Pgd. Частота генотипа SS в 0-м поколении была незначительной (0.08). В неравновесных модельных популяциях в начале мониторинга отбор проходил с селективным преимуществом S-аллеля. Но повышение его частоты происходило за счет повышения частоты как SS, так и FS-генотипов (рис. 4). После установления равновесия по частотам аллелей, генетическая структура экспериментальных популяций изменялась незначительно. В конце мониторинга селективное преимущество имел F-аллель локуса б-Pgd. Здесь также отчетливо показано влияние колеблющейся температуры и добавления этанола в питательную среду на динамику генетической структуры экспериментальных популяций.

Для локусов гексокиназы и фосфоглюкомутазы в неравновесных популяциях в начале мониторинга отмечаем действие частотно-зависимого отбора в пользу редкого генотипа. После установления балансирующего равновесия селективное преимущество имели гетерозиготы. Возможно, что балансирующий отбор поддерживает полиморфизм за счет различий аллозимов по субстратной специфичности и по термостабильности [ Yoshimaro and Mukai, 1979].

Направление и характер действия естественного отбора по локусу Est-б. В начале мониторинга частота FF-генотипа для данного локуса была 0.3. В дальнейшем, во всех экспериментальных популяциях происходило его снижение и селективное преимущество имел S-аллель за счет уменьшения частоты FS-генотипа и увеличения частоты SS-генотипа. Самым действенным фактором для Est-6, изменяющим генетическую структуру, являлся этанол. Следует отметить, что для данного локуса и после установления равновесного соотношения частот генотипов, селективное преимущество в конце мониторинга имел S-аллель для всех экспериментальных популяций.

Таким образом, оценка интенсивности и направленности естественного отбора в экспериментальных популяциях показала, что она зависит от исходной генетической структуры модельных популяций и селективной ценности зигот при данной комбинации экологических факторов. Полученные данные указывают на

46 К 35

15

ш

3

аРв

ап

20%

40% 60% 12% ЭТАНОЛА

СООТНОШЕНИЕ ЧАСТОТ ГЕНОТИПОВ

Рис. 4. Соотношение фактических и теоретически ожидаемых частот генотипов по локусу в экспериментальных популяциях дрозофилы

9023902390

действие естественного отбора в экспериментальных популяциях дрозофилы и адаптивное значение генетического полиморфизма по ферментам.

При сравнении эффектов отбора в экспериментальных популяциях следует отметить, что экологические факторы влияют на интенсивность отбора аллелей. Естественный отбор затрагивает все изученные локусы и приводит к формированию устойчивой ассоциации аллелей (Ас]Ы - Орс1Ь'' - Нех-С^-ЕзЬб8 - 6- ), имеющей адаптивный характер.

МОНИТОРИНГ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ И ЭЛЕМЕНТОВ ПРИСПОСОБЛЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ В ПРОЦЕССЕ ОТБОРА

Мониторинг элементов приспособленности экспериментальных популяций дрозофилы показал, что количественные параметры находятся в прямой связи с изменениями генетической структуры популяций по изученным энзимным локусам в процессе отбора. Интегральный генетический мониторинг популяций включал блок наблюдений, связанный с оценкой элементов приспособленности. Характеристика элементов приспособленности приведена в таблицах 2, З.По всем изученным элементам приспособленности экспериментальные популяции различаются между собой. Наиболее приспособленной по таким показателям как средняя и накопительная численности, соотношение полов, оказалась популяция, содержавшаяся при стандартной температуре (25°С), а наименее приспособленной по индексу конкуренции, массе тела особей, средней и накопительной численности характеризовалась популяция, содержавшаяся на среде с добавлением в питательную среду этанола.

Для оценки динамики генетического разнообразия экспериментальных популяций использовали показатель энтропии популяциоиных систем. Энтропия -мера генетической изменчивости и ее показатель реально отражает динамику поведения частот аллелей изученных локусов. При схождении частот альтернативных фенотипов и генотипов и особенно при их равенстве показатель энтропии возрастает. При действии естественного отбора общая энтропия популяциоиных систем нарастает, после чего наступает фаза стабилизации, отражающая установление равновесия частот аллелей по комплексу локусов.

Таким образом, показатели интенсивности отбора и энтропии, использовании е для оценки динамики генетической структуры экспериментальных популяций, четко отражают картину изменений в частотах аллелей и показывают, что эти изменения носят взаимосвязанный ассоциативный характер.

В результате впервые примененного комплексного подхода за наблюдением динамики генетической структуры популяций как по качественным так и количественным признакам показано изменение генетической структуры экспериментам,-

ных популяций по изученным локусам. Выявлено действие естественного отбора в формировании адаптивного полиморфизма изученных изоферментных локусов. Изменение генетической структуры популяций, а также отдельных элементов приспособленности приводит к повышению приспособленности популяций к условиям содержания.

Таблица 2

Элементы приспособленности экспериментальных популяций Ого$орЫ1а те1апоЕаМег, содержавшихся при различных экологических условиях

Популяции Суммарная численность особей Масса особей (мг) Длительность онтогенеза (дни) Индекс конкуренции (%)

самки самцы

А (25° С) 35619 1,05±0,03 0,78+0,03 10,34+0,26 78,02±2,5

В(16-20° С) 33684 1,13+0,02 0,8 ±0,03 23,63"+0,55 87,69**±1,9

С (12% этанол) 29 460 0,98*+0,03 0,68*±0,02 12,51**±0,34 70,4 Г± 1,9

* Р < 0,02 **Р<0,01

Таблица 3

Средние показатели общей численности и соотношение полов в экспериментальных популяциях Огок}рЫ!а те1агк^а$1ег, содержавшихся при различных экологических условиях

Экспериментальные популяции Средняя численность особей Количество самцов Количество самок Процент самцов Процент самок

А (25° С) 954.35 +49.32 475.53+25.67 478.82+25.17 49.8310.67 50.17+0.72

Б(16-20° С) 866.27+61.42 440.24±29.09 426.03±25.60 50.82+0.95 49.18±0.96

С (12% этанола) 755.41 "+50.51 394.46±25.28 360.95+25.47 52.22*±0.77 47.78*±0.77

* Р < 0,02

** Р < 0,01

ВЫВОДЫ

1. В модельных неравновесных популяциях дрозофилы в течение первых 25-ти поколений мониторинга происходят самые значительные изменения частот аллелей изучаемых локусов АсЙ1, СгрсЙ1, Нех-С, Ш-б, 6-Р0с1.

2. Изменение экологических условий, обусловленное колебанием температурного режима и содержанием экзогенного этанола в питательной среде, способно оказывать влияние на генетическую структуру экспериментальных популяций.

3. Модифицирующее воздействие факторов среды (температура, этанол в среде) особенно отчетливо проявляется, когда в популяциях устанавливается равновесное соотношение частот аллелей, при этом уровень их зависит от исходных частот аллелей, функциональной особенности ашюзимов и от условий содержания популяций.

4. Полученные данные указывают на действие естественного отбора в экспериментальных популяциях дрозофилы и адаптивное значение генетического полиморфизма по ферментам.

5. Естественный отбор затрагивает все изученные локусы и приводит к формированию устойчивой ассоциации аллелей ( Ас1Ьр - <Зр<Шг' - Нех-С8 -Е^-б5 - 6-Pgdt''), имеющей адаптивный характер при изученных экологических условиях.

6. Показатели интенсивности отбора и энтропии, используемые для оценки динамики генетической структуры экспериментальных популяций, четко отражают картину изменений в частотах аллелей и показывают, что эти изменения носят взаимосвязанный ассоциированный характер.

7. Изменение генетической структуры популяций, а также отдельных элементов припособленности в ходе моноторинга приводит к повышению приспособленности популяций к условиям экологической ниши.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Касшская СЛ., М1хайлава МЛ. Дынамжа мадэльных папуляцый дразафшы па лохусу алкагольдэпдрагеназы пры рознай тэмпературы // Весщ акадэмй навук БССР. Сер. б1ял. навук. - 1982, N 3. - С. 68-70.

2. Савченко В.К., Касинская С. И., Михайлова М. Е. Интенсивность естественного отбора в экспериментальных популяциях дрозофилы по локусу алкогольдегидрогеназы // Экологическая генетика растений и животных: Тез. 2-й Всесоюз. конф. - Кишинев, 1984. - С. 34.

3. Савченко В.К., Касинская С.И., Михайлова М. Е. Динамика генетической структуры экспериментальных популяций дрозофилы по локусу АсН> под влиянием этанола // Цитология и генетика.- 1985,- Т. 19, N 4.- С. 294-298.

4. Савченко В.К., Касинская С.И., Михайлова М.Е. Динамика генетической структуры экспериментальных популяций дрозофилы по локусу АёЬ при различной температуре // Генетика.- 1985.- Т. XXI.- N. 8. - С. 1306-1351.

5. Савченко В.К., Касинская С.И., Михайлова М.Е. Изучение генетической структуры экспериментальных популяций дрозофилы, содержавшихся при различной температуре по комплексу аллозимов И Экологическая генетика раст ений и животных: Тез. докл. 111 Всесоюз. конф..- Кишинев, 1987.- С. 45.

6. Савченко В.К., Касинская С. И., Михайлова М. Е. Ассоциацивный отбор в экспериментальных популяциях дрозофилы при различных экологических условиях II Проблемы микроэволюции: Тез. докл. И Всесоюзн. конф. - Москва, 1989. -С. 36.

7. Касинская С.И., Михайлова М. Е. Действие отбора в экспериментальных популяциях дрозофилы по ряду генов при различных экологических условиях: // Проблемы биологии и генетики дрозофилы: Тез. У1 Всесоюз. совещания. - Одесса, 1989. - С. 48.

8. Михайлова М.Е., Касинская С.И. Оценка интенсивности отбора в экспериментальных популяциях дрозофилы // Проблемы биологии и генетики дрозофилы: Тез. У1 Всесоюз. совещания. - Одесса, 1989. - С. 65.

9. Касинская С.И., Михайлова М.Е. Динамика генетической структуры экспериментальных популяций дрозофилы при различных экологических условиях И Генетика насекомых: Тез. докл. Первой Всесоюз. конференции. -Москва,-1991.-С. 55.

10. Касинская С.И., Михайлова М.Е. Изменение генетической структуры экспериментальных популяций дрозофилы под влиянием экологических условий // Тезисы докл. У1 съезда БелОГИС. - Горки, 1992. - С. 9.

П.СаучанкаУ.К., КасшскаяСЛ., М1хайлаваМ.Я. Дынампсафенетычных 1 генетычных асашяшуных астэм пры дзеяшн натуральнага адбору // Весщ АН Беларусь Сер. б1ял. навук. - 1992. - N 5-6. - С. 68-72.

12. Касинская С.И., Михайлова М. Е., Савченко В.К. Изменение генетической структуры экспериментальных популяций дрозофилы по электрофоретичес-ким локусам под влиянием экологических условий // Генетика. - 1992. - Т. 28. - N 10. С. 58-66.

РЭЗЮМЭ

ЛШайлава Марыя Ягорауна." Вывучэнне дзеяння адбору па комплексу гена?, як1я кантралююць с!птэз ферментау, у мадэльных папуляцыях дразаф1лы".

Ключавыя словы: папуляцыя, дразафша, генетычная структура, частата алеляу, ¡заферменгныя локусы, адаптыуны пал!марф1зм, натуральны адбор, элементы прыстасаванасщ,

Аб'ект даследаванняу: зксперыментальныя папуляцьп ОговорЬНа те1апада51ег.

Мэта работы: прааналзаваць змяненне генетычнай структуры папуляцый у працэсе натуралънага адбору па якасным 1 колькасным прыкметам пад утшывам экалапчных фахтарау.

Метады даследвання: Анализ генетычнай структуры эксперыментальных папуля цый па частаце алеляу пящ пашморфных локусау праводзил метадам электрафарэзу. Ацэнку натуральнага адбору у эксперыментальных папуляцыях праводзин эколага-генетычным1 метадам1 па элементам прыстасаванасщ: сярэдняй 1 сумарнай колькасщ асоб у папуляцьп, суадносшы палоу, масы цела асоб.

Зыходныя патморфныя мадэльныя папуляцьп' бьш атрыманы у вышку сштэзу 4 лабараторных лшш дразафшы, генатып ямх раней вызначыл) з дапамогай электрафарэзу.

Упершыню, у вытку ужывання комплексная ацэню дынамиа генетычнай структуры папуляцый як па якасным так 1 па колькасным прьпсметам, паказана змяненне генетычнай структуры эксперыментальных папуляцый па частаце алеляу уах вывучаных ¡заферментных локусау. Змяненне генетычнай структуры папуляцый, а таксама асобных элементау прыстасаванасщ прыводзщь да фарьправання аптымальнага узроуню прыстасаванасщ эксперыментальных папуляцый да вывучаных экалапчных умоу.

РЕЗЮМЕ

Михайлова Мария Егоровна. "Изучение действия отбора по комплексу генов, контролирующих синтез ферментов, в модельных популяциях дрозофилы".

Ключевые слова: популяция, дрозофила, генетическая структура, частота аллелей, изоферментиые локусы, адаптивный полиморфизм, естественный отбор, элементы приспособленности.

Объект исследований- экспериментальные популяции ОгоэорЬПа те1апо-

gaster.

Цель работы - проанализировать изменение i енстичсской структуры популяций в процессе естественною oi6opa по качественным и количественным признакам под воздействием экологических факторов.

Методы исследования. Анализ генетической структуры популяций осуществляли но частоте аллелей пяти полиморфных локусов : Adh, Opdh, Нех-С, lixt-ft, 6-Pgtl, методом электрофореза. Действие естественного отбора в экснеримаииль-ных популяциях оценивал» jkivuxi o-j снегическими методами no следующим эле-мешам: приспособленности: средней и накопительной численности особей популяций. соотношению полов, длительности онтогенеза, массе тела особей.

Исходные полиморфные модельные популяции были получены в результате синтеза из четырех лабораторных линий дрозофилы, генотип которых предварительно определяли электрофоретическим методом.

В результате впервые примененной комплексной оценки динамики генетической структуры популяций как по качественным, так и количественным признакам показано изменение генетической структуры экспериментальных популяций по частоте аллелей всех изученных локусов. Выявлено действие естественною отбора в формировании адаптивного полиморфизма изученных аллоэимных локусов. Изменение генетической структуры популяций, а также отдельных элементов приспособленности привело к формированию оптимального уровня приспособленности экспериментальных популяций при изученных экологических условиях.

SUMMARY

Mikhaifava Mariya Yegororna. "Study on the effect of selection from a complex of genes controlling enzyme synthesis in drosophila model populations.

Key words: population, drosophila, genetic structure, allele freguency, isoenzyme loci, adaptive polymorphism, natural selection, fitness elements.

Object of investigations - experimental populations of Drosophila melanogaster.

Aim of research work - to analyse change of the population genetic structure during natural selection for qualitative and quantitative characters under the influence of ecological factors.

Methods of investigation. The analysis of the populathion genetic structure was carried out from the allele freguency of five polymorphous loci: Adh, a - Gpdh, list-6, Hex-C, 6-Fgd by the electrophoresis method.

Evaluation of natural selection in experimental populations was made by ecological and genetic methods from fitness elements: mean and accumulated numbers of population individuals, ratio of sexes, duration of ontogenesis, individual body weght.

Polymorphous initial model populations were obtained by synthesis from laboratory lines of drosophila.

As a result ot the first applied complex approach to monitoring of dynamics oí the population genetic structure lor qualitative and quantitative characters was shown the change of the genetic structure in exspenmental populations from the allele frequency ol all isoenzyme loci studied. I'hc eficct of natural selection on formation of adaptive polymorphism of the studied allosvme loci depending on a functional role of enzymes was revealed. Change of the population genetic structure as well as some fitness elements results in increasing fitness of experimentan populations to housing conditions.

Змс. 9. Тираж 100. ИГН АН Беларуси. Минск. 1995.