Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Молекулярная эволюция митохондриального гена цитохрома b коттоидных рыб озера Байкал

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кирильчик, Сергей Васильевич, Иркутск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ЛИМНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи КИРИЛЬЧИК СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ГЕНА ЦИТОХРОМА Ъ КОТТОИДНЫХ РЫБ ОЗЕРА БАЙКАЛ: ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ

03.00.15 - Генетика

Научный руководитель кандидат биологических наук Слободянюк С.Я.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Иркутск, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................3

II. ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................8

III. ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ..............................................37

IV. ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ....................................................................43

3.1. Сравнительный анализ нуклеотидных

последовательностей............................................................43

3.2 Построение филогенетических схем..............................55

3.3. Филогенетические взаимоотношения видов байкальских Cottoidei................................................................................57

3.4. Филогенетические взаимоотношения байкальских

и внебайкальских Cottoidei..................................................62

3.5. Оценка времени прошедшего с момента первой дивергенции байкальских подкаменщиков..........................64

V. ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ....................................................................67

VI. ВЫВОДЫ............................................................73

VII. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................75

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Исследования истории формирования мира живых организмов представляют большой интерес не только с точки зрения развития общей теории эволюции и построения естественной системы видов, но бывают чрезвычайно полезными и в решении целого ряда вопросов экологии, биогеографии, палеонтологии, исторической геологии и стратиграфии. До недавнего времени в эволюционных исследованиях применялись, в основном, методы сопоставления данных сравнительной анатомии, эмбриологии и палеонтологии. Использование такого подхода для решения некоторых, наиболее сложных, филогенетических задач связано с рядом затруднений, вызванных, в частности, существованием значительных различий в темпах фенотипичес-кой эволюции отдельных групп организмов и связанных с этим проблемами подбора эволюционно - значимых морфологических и других признаков.

По сравнению с морфологическими или физиологическими характеристиками, молекулярные данные показывают более стабильную структуру эволюционных изменений 1987), следовательно - более корректную

картину филогенетического родства организмов. Кроме этого, сравнение нуклеотидных и аминокислотных последовательностей позволяет анализировать большое количество признаков (нуклеотидов или аминокислотных остатков), изменяющихся дискретно и по известному механизму. Это позволяет делать количественные оценки степени филогенетического родства видов с использованием соответствующих математических и

статистических методов. Поэтому, использование анализа нуклеиновых кислот и других макромолекул в филогенетических исследованиях в настоящее время широко и успешно практикуется как отечественными так и зарубежными учеными. Особой "популярностью" пользуются нуклеотидные последовательности митохондриальной ДНК (мтДНК), в том числе и гена цитохрома Ъ. Для гена цитохрома Ъ составлена детальная калибровочная кривая скорости эволюции для млекопитающих и птиц, включая динамику накопления замен по положениям кодона, мутаций замещения, транзиций и трансверсий. На основе анализа нуклеотидных последовательностей митохондриального гена цитохрома Ъ успешно исследуется эволюция млекопитающих, птиц, рыб, земноводных и др., на разных таксономических уровнях - от популяций до родов.

Методы молекулярной биологии оказались чрезвычайно полезными и в филогенетических исследованиях на Байкале. Вопросы происхождения и эволюции организмов, населяющих озеро Байкал, представляют особый научный интерес не только с точки зрения их широкого разнообразия, глубокого эндемизма и уникальности среды обитания, но в значительной степени в связи с тем, что эндемичная байкальская фауна и флора характеризуется следующими весьма своеобразными чертами: 1) Она представлена формами, переходными как между видами, так и между таксонами более высокого ранга; 2) Для нее характерно наличие почти полного набора форм - от отдельных родов до обособленных семейств, обитающих в одном, относительно небольшом водоеме. 3) Многие эндемичные группы байкальских животных имеют монофилетичное

происхождение и могут рассматриваться как "букеты видов" (Smith and Todd, 1984).

Байкальские подкаменщиковые рыбы (Cottoidei) являются одними из наиболее своеобразных представителей байкальской эндемичной фауны. Большая эволюционная пластичность и широкое распространение этих организмов позволяют рассматривать их как уникальный объект для эволюционных исследований, которые, в данном случае, могут явиться ключом к более глубокому пониманию процессов и закономерностей эволюции вообще. По современной классификации в состав байкальских подкаменщиков входит 29 видов, 22 из них эндемичны (Сиделева, 1982). Коттоидные рыбы встречаются на всех глубинах озера и представлены как бентосными, так и пелагическими формами. Представители сем. Comephoridae (голомянки) единственные живородящие рыбы водоема. Глубокий эндемизм Cottoidei Байкала, их широкое распространение в пределах озера, масштабы морфологических, физиологических и др. преобразований в процессе адаптивного видообразования, а также отсутствие ископаемых остатков привели, в результате, к тому, что во взглядах на эволюцию этой группы видов сосуществуют крайне полярные точки зрения. Достаточно сказать, что оценка времени происхождения комплекса видов варьирует от минимальной - не более 2 миллионов лет (млн. лет) (Талиев, 1955) , до максимальной - не менее 20 млн. лет (Сиделева, 1982).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель настоящей работы состояла в исследовании эволюционных взаимоотношений видов бычков

подкаменщиков Байкала и установлении степени филогенетического родства с внебайкальскими формами на основе сравнения нуклеотидных последовательностей фрагмента гена цитохрома Ъ мтДНК. Выполнение этой задачи включало следующие этапы:

1. Выделить ДНК 3-4 представителей каждого из 15-20 байкальских и 10 -15 внебайкальских видов Сойогйе1, определить нуклеотидные последовательности фрагмента гена цитохрома Ъ мтДНК, длиной около 400 пар нуклеотидов, используя метод полимеразной цепной реакции.

2. Провести сравнительный попарный анализ нуклеотидных последовательностей на предмет распределения и соотношений мутаций по позициям кодона, транзиций / трансверсий, замещения / синонимичных замен. Сравнить результаты анализа с опубликованными данными по эволюции митохондриального гена цитохрома Ь.

3. С учетом результатов попарного сравнения последовательностей ДНК построить филогенетические схемы, используя компьютерные филогенетические программы. Составить анализ филогенетических схем с оценкой степени их корректности.

4. Сравнить результаты молекулярно-филогенетических исследований с имеющимися на сегодняшний день взглядами о происхождении, эволюции и системе байкальских СоШлс1е1.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Впервые для филогенетических исследований коттоидных рыб Байкала были использованы методы молекулярной биологии. Отмечено некоторое несоответствие между сегодняшними систематическими и

филогенетическими представлениями и полученными результатами. Например, в филогенетических деревьях с высокой статистической достоверностью наблюдается отдельное от видов рода Limnocottus положение ветви Limnocottus eurystomus, что свидетельствует о полифилетичном происхождении этой группы. Топология филогенетических деревьев, а также приблизительная оценка времени эволюции Cottoidei в пределах озера не согласуется с принятой на сегодняшний день гипотезой о разновременном заселении праозера предками современных видов и исключительной древности комплекса подкаменщиковых рыб Байкала. Cottoidei Байкала представляют собой группу филогенетически близких видов, которые ведут свое начало от одной или небольшого количества пресноводных предковых форм, проникших на Байкал не ранее 2,5 млн. лет назад. Чрезвычайно интересные и уникальные в мировой практике эволюционных исследований результаты были получены при сравнении байкальских и внебайкальских форм. Cottoidei Байкала, как оказалось, имеют близкие филогенетические связи с видами из оз. Мичиган и р. Анадырь. Более того, попарный анализ полученных данных показал, что дивергенция байкальских и близких к ним видов сопровождалась ускоренным накоплением мутаций замещения в исследуемом районе мтДНК.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований представлялись на международной конференции "New Scope on Boreal Ecosystems in East Part of Russia.1', проходившей в 1994 году в городе Киото, Япония.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертации опубликовано пять статей.

ГЛАВА 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Краткая характеристика и классификация Cottoidei оз. Байкал

Согласно современной классификации в состав байкальских Cottoidei входит 29 видов, объединенных в три семейства - Cottidae, Comephoridae и Abyssocottidae, причем, два последних семейства (22 вида) полностью эндемичны (Сиделева, 1982). Рыбы коттоидного комплекса встречаются на всех глубинах озера и представлены как бентосными, так и пелагическими формами. В состав семейства Cottidae входит 7 видов, которые, за небольшим исключением, обитают преимущественно в прибрежной части озера. Два вида - Paracottus kneri и Cottus kessleri встречаются в прибайкальских водоемах. Семейство Abyssocottidae представлено 20-ю эндемичными видами, ведущими в основном глубоководный образ жизни. Семейство Comephoridae составляет один род и два эндемичных вида -Comephorus baicalensis (большая голомянка), Comephorus dybowskii (малая голомянка). Голомянки являются наиболее своеобразными представителями эндемичной байкальской ихтиофауны. Это пелагические формы, которые распространены по всей акватории озера на глубинах от 150 м до 1500 м и характеризуются уникальной для рыб Байкала способностью к живорождению. Список видов байкальских Cottoidei и их систематическое положение показаны на рисунке 1.

Семейство

СотерЬопбае СоШс1ае

АЬузБОСоШдае

Род Вид

СотерЬогив

СоПив

Соиосотер/югиэ

Рагасоииэ ВакасЬосоНиз

Ьа1са1еп8!5 * буЬо\м8к'п *

кевБ/еп * дгештдМ * ¡пегт'1в * кпеп * Ьа1са1еп818 тиШгасНаШз ~п1ко1зкИ *

АвргосоНиз

итпосоНиБ

АЬуззосоНиз

— Мегтебшэ

— рагт/рЬегив

— Лелге^е/'п/ *

— аЬувзаНз

— рШусер11а1и8

— ри/сЛел *

теда/орэ еигуэЬтиз * дос!1е\л/зкИ * дпвеиБ * раШвив * Ьегд'шпиэ *

СоШпеНа

РгосоНиэ

МеосоНиэ

■ е1осЬ1п1 korotneffi * д^Ьозиэ

Ьои1епдеп

дит'ю!

уе/Яе/ея/

та]ог

werestschagini

Рис. 1. Схема вероятных филогенетических взаимоотношений родов и видов подкаменщиковых рыб оз. Байкал (по Сиделевой (Сиделева, 1982), с незначительными изменениями). Звездочками обозначены виды, исследуемые в настоящей работе.

Краткая история изучения байкальских подкаменщиков

Первые сведения о Cottoidei Байкала появились во второй половине 17 столетия, когда Палласом и Георги (Georgi, 1775; Pallas, 1776) впервые была обнаружена и описана большая голомянка - Comephorus baicalensis (здесь и далее в названиях видов используется современная классификация байкальских подкаменщиков). С тех пор на протяжении столетия исследования подкаменщиков озера носили эпизодический характер и касались в основном распространения и систематического положения голомянки. Во второй половине 18 столетия с появлением работ Б. Дыбовского начался новый этап в изучении байкальских Cottoidei. Первые исследования Дыбовского были также посвящены голомянке (Дыбовский, 1870, 1876). Он дал подробное описание морфологии и анатомии этого вида, изучил вертикальное распределение, установил живорождение голомянки. Исключительно важным является то, что он впервые указал на родство С.baicalensis с семейством Cottidae - что в настоящее время является общепризнанным. Кроме того, в это время Дыбовский описывает 6 новых видов байкальских Cottoidei, дает сведения об их распределении и распространении, представляет некоторые данные о биологии размножения.

До конца 18 столетия исследование байкальских подкаменщиков носило преимущественно описательный характер, однако, к этому времени уже было собрано большое количество коллекционного материала по этой группе рыб, появилась возможность анализа и систематизации накопленных данных. В 1900 году в Ежегоднике Зоологического музея Академии Наук

вышла сводка JI.C. Берга "Рыбы Байкала" (Берг, 1900). В этой работе автор впервые подчеркивает автохтонность современных видов Cottoidei Байкала. Касаясь вопроса генезиса байкальских подкаменщиков, Берг высказывает мнение, что они ведут свое начало из Северного Ледовитого океана. В дальнейшем проблема происхождения Cottidae озера становится одной из наиболее спорных и активно дискутируемых исследователями темой. Уже в 1902 году выходит обзор ихтиофауны Байкала В.И. Грацианова (Грацианов, 1902), где автор делает предположение о тихоокеанском происхождении байкальских подкаменщиков. По мнению Грацианова, предковые формы современных видов могли проникнуть в озеро из Тихого океана через бассейн р. Амур, где встречаются пресноводные формы, близкие к морским Cottidae. В этом же году на Байкале была завершена двухлетняя зоологическая экспедиция A.A. Коротнева. Некоторые материалы экспедиции послужили основой для вышедшей в 1905 году статьи "Comephoridae Байкала" (Коротнев, 1905). Особая научная ценность этой работы состоит в том, что в ней автор не только впервые подробно описывает новый вид голомянки - Comephorus dybowskii, но и делает более глубокий биологический анализ семейства Comephoridae в целом. Основываясь на сборах этой же экспедиции, Берг публикует монографию "Die Cataphracti des Baikalsees" (Berg, 1907). Эта, ставшая классической, работа посвящена изучению остеологии байкальских и некоторых внебайкальских видов Cottoidei и детальному сравнительно-анатомическому анализу полученных данных. Кроме этого, Берг описывает пять новых глубоководных видов коттид семейства Abyssocottidae, объединяет их в три

эндемичных рода - АЪуязосоит, Азргосоит, ЫтпосоКт и пересматривает систему байкальских подкаменщиков. Результаты анализа позволили автору изменить свои прежние взгляды о генезисе этой группы рыб. По мнению Берга СоПо1с1е1 Байкала являются очень древними формами пресноводного происхождения, сходство же этих видов с морскими объясняется конвергенцией.

Особый этап в истории изучения байкальских подкаменщиковых рыб связан с именем Д.Н. Талиева. Талиев посвятил исследованию СоМсп<1е1 около 20 лет. Его вклад в изучение байкальских подкаменщиков пожалуй и по сей день не имеет себе равных. В первую очередь это связано с принципиально иным подходом в исследовании Соио1с1е1 Байкала. В своей работе Талиев опирается на изучение эволюционного развития этой группы рыб, их биологии и экологии с использованием комплексного методологического подхода. На основе полученных данных автор формулирует концепцию о происхождении и эволюционном развитии подкаменщиков в пределах озера. Первая работа Талиева, посвященная СоМо1с1е1 Байкала, вышла из печати 1935 году (Талиев, 1935). Здесь автором было описано три новые эндемичные формы семейств СоШйае и АЬуязосоШс1ае. Через три года появилась статья, посвященная изучению остеологии байкальских подкаменщиков с помощью нового для того времени метода рентгенографии (Талиев, 1938). Использование рентгеновских лучей позволило автору выявить рудиментарные элементы скелета, которые легко терялись при обычном препарировании рыб, кроме того, рентгенография значительно упрощала работу и поэтому позволяла

достаточно быстро обрабатывать большое количество материала. Благодаря этому методу Талиевым, в частности, указано на несостоятельность основного диагностического признака семейства СоПосотер}гопс1ае (в современной системе - род СоПосотеркогш), и пересмотрена систематика байкальских Соиогйе1. В 1940 году Талиев использует еще один новый метод для определения степени родства видов СоМо1с1е1 - серологический анализ (Талиев, 1940). Однако автором представляются лишь фрагментарные данные преимущественно по специализированным видам, кроме того, они носят малоинформативный характер и интерпретируются Талиевым в рамках степени согласованности с данными сравнительной анатомии. Результаты многолетней деятельности Талиева по изучению СоНогсЗег Байкала, подготовленные автором в виде обширного труда и предназначенные для защиты докторской диссертации, были опубликованы уже после его смерти (Талиев, 1955). Монография посвящена исследованию происхождения байкальских подкаменщиков, эволюции видов в пределах озера, созданию на основе этого эволюционной системы. По содержанию монография представляет собой фундаментальную работу, которая по кругу рассматриваемых вопросов, по глубине и разносторонно