Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Молекулярно-филогенетическое исследование эволюционной истории байкальских люмбрикулид (Oligochaeta, Annelida)

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Молекулярно-филогенетическое исследование эволюционной истории байкальских люмбрикулид (Oligochaeta, Annelida)"

На правах рукописи УДК 597.08.575.1

КАЙГОРОДОВА Ирина Александровна

МОЛЕКУЛЯРНО-ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ИСТОРИИ БАЙКАЛЬСКИХ ЛЮМБРИКУЛИД (OLIGOCHAETA, ANNELIDA)

Генетика-03.00.15

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических паук

Новосибирск 2000

Рабо га выполнена в лаборатории гсносистематики Лимнологического института СО РАН, г. Иркутск

Научный руководитель: кандидат биологических наук

Д. Ю. Щербаков Лимнологический институт СО РАН, г. Иркутск

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Ю. М. Константинов Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск

кандидат биологических наук А. Г. Блинов

Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск

Ведущее учреждение: Иркутский государственный

университет, г. Иркутск

I

Защита диссертации состоится__29 ноября_2000 г.

на утреннем заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук (Д-002.11.01) в Институте цитологии и генетики СО РАН в конференц-зале Института по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 10

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института цитологии и генетики СО РАН

Автореферат разослан_ _(ЖтяЛ/ЪА-_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук А. Д. Груздев

h Ш. ПЗ -

£ OU. SI (Я// àaùjui4; О

Введение

Актуальность проблемы. За последнее десятилетие в филогенетических исследованиях широкое распространение получили методы молекулярной систематики, в частности сравнительный анализ гомологичных последовательностей ДНК. Одним из преимуществ этого подхода является теоретическая возможность временных оценок дивергенции различных таксонов на основе гипотезы молекулярных часов, а также соотнесение процессов видообразования с различными преобразованиями экосистемы. Зачастую молекулярно-филогенетический подход является единственно возможным способом, позволяющим разобраться в родственных связях таксонов.

Наиболее интересными представляются исследования таких объектов как эндемичные "букеты видов", то есть монофнлетичные группы близкородственных видов, дивергировавшие в рамках одной замкнутой экосистемы (Brooks, 1950). Букеты видов особенно часто обнаруживаются в древних пресноводных озерах, каким является Байкал.

В отличие от древних африканских озер (Танганьика, Малави и др.), где молекулярно-филогенетические исследования проводились преимущественно для цихловых рыб, на Байкале проведены работы, посвященные вопросам молекулярной эволюции байкальских планарий (Kuznedelov & Timoshkin, 1993), коттоидных рыб (Slobodyanyuk et al., 1994), амфипод (Огарков и др., 1997; Sherbakov et al., 1998), моллюсков (Зубаков и др., 1997), губок (Itskovich et al., 1998). Несомненный интерес представляет изучение эволюционной истории байкальских олигохет. Байкальские малощетинковые черви уникальны тем, что обитают в грунте (до 20-25 см) и на них не действуют многие факторы, важные для эволюции других организмов.

Байкальские люмбрикулиды характеризуются крайне высоким уровнем эндемизма. Почти половина известных в мире таксонов лю.мбрикулид обитает в Байкале. По современным данным 48 из 58 видов и подвидов, населяющих это озеро, являются эндемиками.

Люмбрикулиды являются также одним из «труднодоступных» семейств олигохет, их таксономические различия базируются, главным образом, на сложно уловимых недоступных невооруженному глазу анатомических деталях строения кровеносной системы и полового аппарата. Скудость внешних морфологических признаков и одновременно очень большая внутривидовая изменчивость, к тому же нечеткие описания многих видов затрудняют определение таксономической принадлежности люмбрикулид. С накоплением новых данных все более очевидным становится необходимость построения филогенетически обоснованной структуры

семейства, тем более, что положение люмбрикулид в систематике олигохст имеет принципиальное значение для понимания эволюции аннелид в целом. Цели и задачи исследования. Цель настоящей работы - изучение эволюционной истории байкальских малощетинковых червей семейства ЬитЬпсиЫае (ЛппеНс1а: 0^осЬае1а) с помощью методов молекулярной филогении. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. сбор материала, морфологический анализ и анализ распределения люмбрикулид по Байкалу;

2. выбор филогенетического ДНК-маркера наиболее полно отвечающего целям исследования;

3. описание мутационных спектров генетической модели и выбор наиболее адекватной модели филогенетических реконструкций;

4. построение филогенетических схем на основе попарного сравнения нуклеотидных последовательностей;

5. сравнение полученных молекулярно-филогенетических схем с существующими кладистическими реконструкциями на основе морфологических данных;

6. оценка характера и установление временных рамок эволюционного процесса;

7. соотнесение степени внутри- и межвидового полиморфизма исследуемого гена с известными гипотезами об эволюции байкальских люмбрикулид и существующими представлениями о геологической истории оз. Байкал.

Научная новизна. Впервые предпринята попытка молекулярно-филогснетической оценки характера и времени видовой радиации люмбрикулид Байкала. На базе этих данных показана возможность связи эволюции люмбрикулид с конкретными геологическими событиями в истории Байкала. Рассмотрены возможные причины образования некоторых букетов видов, сделаны предположения относительно характера и механизмов адаптивной радиации групп видов исследованных олигохет.

Более того, сравнение генетического полиморфизма двух популяций является первой попыткой применения молекулярных методов исследования на уровне популяций не только для байкальских олигохет, но и для всей мировой фауны малощетинковых червей.

Практическая значимость. Нуклеотидные последовательности, полученные в данной работе, могут быть использованы в качестве молекулярных зондов в экологическом мониторинге для идентификации особей до вида в случаях, когда определение классическими морфологическими методами затруднено или вовсе невозможно (неполовозрелые особи, отдельные фрагменты тела, сомнительная идентификация трудно дифференцируемых морфологических признаков и др.).

Приобретение знаний по эволюционной истории изучаемого семейства позволяет проводить сопоставление полученных данных с результатами

исследования эволюции в других группах байкальских организмов и сведениями по геологической истории озера.

Апробация работы. Результаты работы представлялись: на международном симпозиуме в Улан-Уде, Россия: «Экологически эквивалентные виды гидробионтов в Великих озерах мира», 2-4 сентября 1997; на международном симпозиуме в Преск-Исл, США: Седьмой Международный Симпозиум по Водным Олигохетам (Seventh International Symposium on Aquatic Oligochaeta, Prese Isle, USA, 5-11 July 1997); на международном конгрессе в Барселоне, Испания: Седьмой Конгресс Европейского Общества Эволюционной Биологии (Seventh Congress of the European Society for Evolutionary Biology, Barcelona, Spain, 23-28 August 1999); на международной конференции в Новосибирске, Россия: «Биоразнообразие и динамика экосистем Северной Евразии», 21-28 августа 2000.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе три статьи в рецензируемых журналах, две работы направлены в редакции журналов.

Объем и структура диссертации. Материал диссертации изложен на 127 страницах, содержит 7 таблиц и 12 рисунков. Список литературы включает 191 наименование публикаций, в том числе 161 иностранных. Содержание диссертации включает следующие разделы: Введение, Обзор литературы, Материалы и методы, Результаты и обсуждение, Выводы, Список литературы и Приложение. Благодарности. Большая часть работы выполнена в Королевском бельгийском институте естественных наук (Брюссель), где автора консультировали Д-р Э.Верхенен и Д-р П. Мартэн, за что автор им искренне благодарен.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Сбор материала. Сбор байкальских олигохет проводили с помощью драги и дночерпателя Петерсена в различных местах озера Байкал. Определение до вида проводилось при использовании бинокулярного микроскопа с фазовым контрастом, согласно существующим систематическим ключам (Чекановская, 1962; Cook, 1971) и отдельным описаниям видов (Изосимов, 1962; Ilrabe, 1982; Снимщикова, 1987; Martin et al, 1998).

Для молекулярного анализа были выбраны 26 видов люмбрикулид, принадлежащих всем 6 родам обитающим в Байкале и один внебайкальский вид Trichodrilus diversisetosus, любезно предоставленный профессором П. Родригез (Universidad del Pais Vasco, Spain).

Работа с нуклеиновыми кислотами. Все методы, связанные с выделением, проводили по стандартным методикам (Sambrook el а!., 1989). Фрагмент гена mtCOI размером 710 п.н. амплифицировали с помощью олигонуклеотидных праймеров универсальных для большинства беспозвоночных (Folmer et al., 1994).Фрагмент гена

18S рРНК размером 620 п.м. амплифицировали с помощью олигонуклеотидных праймеров 18S I и 18S II (Kuznedelov et al., 1993).

Прямое секвенирование двухцепочечных продуктов амплификации проводилось при помощи автоматического секвенатора (ALF-DNA Sequencer, Pharmacia) при использовании набора реактивов производства фирмы «Amersham». Филогенетический анализ. Для вычисления статистических параметров (частота нуклеотидов, соотношение транзиций и трансверсий, количество информативных сайтов) использовался пакет программ MEGA (Kumar et al., 1993). Программа DNArates из пакета PHYLIP (Felsenstein, 1996) применялась для оценки скоростей молекулярной эволюции в разных позициях, а также определения категорий вариабельности сайтов в полученных блоках нуклеотидных последовательностей.

Максимально правдоподобные деревья и оценки длин ветвей получали для данных по 18S рРНК с помощью программы FastDNAml (Olsen el al., 1994), для разных блоков нуклеотидных последовательностей mtCOI с помощью программ PUZZLE-TREE (Strimmer & von Haeseler, 1997) и LINTRE (Takezaki et al, 1995).

Оценка равномерности скоростей эволюции проводилась с помощью программы LINTRE (Takezaki et al., 1995) при использовании теста на относительную скорость эволюции (relative rate test).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Морфологический анализ и распределение люмбрикулид по Байкалу. В результате проведенного исследования изготовлено 566 постоянных препаратов малощетинковых червей, включенных в личную коллекцию автора. Идентифицировано 47 видов.

Итоги анализа выявляют неравномерность распределения видов по Байкалу. Наиболее «богатым» местом оказались Ольхонские ворота, где совместно обитают 26 видов люмбрикулид (группа «Lamprodrilus» - 15 из 32, группа «мелких» Rhynchelmis - 5 из 6, Styloscolex - 5 из 7, Stylodrilus - 1 из 9). Видовой состав люмбрикулид Муринской банки сильно отличается. Здесь обнаружено 12 видов {Lamprodrilus - 6, Stylodrilus - 4 из 9, «мелких» Rhynchelmis - 2, Styloscolex - 1 ). Это единственное место на Байкале, где нами встречено четыре совместно обитающих вида Stylodrilus, в том числе обнаружен новый вид Stylodrilus sp.n., обладающий необыкновенно длинными атриями, достигающими сегмента XIV. Следующими по видовому разнообразию идут Чивыркуйский залив и бухта Варначка - по 11 и 8 видов люмбрикулид соответственно. В районе острова Б.Ушканий найдено 8, а в заливе Култук 7 видов.

Таким образом, на Байкале имеются места с поразительно богатым видовым составом олигохст. Одно из таких мест - это Ольхонские ворота. При изучении образцов олигохет из Ольхонских ворот нами впервые были обнаружены 4 новых

вида из рода Rhynchelmis, два из них описаны впервые: Rh. alyonae и Rh. shamanensis (Martin el al., 1998). Представители вида Rh. alyonae были обнаружены также на Муринской банке.

Последовательности фрагментов гена 18S уРНК. Нуклеотидные последовательности фрагмента ядерного гена 18S рРНК длиной 508 п.н. были получены для 13 видов сем. Lumbriculidae.

Последовательность содержит 38.2% вариабельных сайтов. Следовательно, можно предположить, что информации, содержащейся в наборе нуклеотидных последовательностей 18S рРНК вполне достаточно для построения филогенетической схемы семейства и обоснования дивергенции таксонов па уровне рода и более высоком таксономическом уровне.

Последовательности фрагментов гена COI. Определены нуклеотидные последовательности фрагмента митохондриального гена COI длиной 642 п.н. для 26 байкальских видов сем. Lumbriculidae и длиной 633 п.н. для 16 представителей эндемичного байкальского вида Rh. alyonae из двух разрозненных популяций.

Межвидовые различия частот нуклеотидных остатков байкальских видов статистически незначимы, что может указывать на действие отбора и служить свидетельством наличия адаптивной эволюции на молекулярном уровне. Последнее обстоятельство может приводить к коалесценции гаплотипов по третьему положению кодона из-за более быстрого достижения насыщения замещений и, следовательно, определяет выбор типов замен, которые допустимо использовать для филогенетических реконструкций.

Для мтДНК в целом характерно очень существенное преобладание частоты транзиций над частотой трансверсий (Brown et al., 1982). Однако в случае исследуемого фрагмента в третьем положении частота трансверсий сравнима с частотой транзиций, что указывает на «обратный ход» молекулярных часов для первого типа замен в случае относительно далеко отстоящих друг от друга таксонов. Необходимо также отметить относительно высокую частоту нуклеотидных замен в первом положении кодона. Это обусловлено обилием лейцинов, для которых, согласно митохондриальному коду, некоторые замены в этом положении синонимичны.

В целом можно заключить, что филогенетические реконструкции должны быть основаны на подсчете несннонимичных замен во всех трех положениях, либо в первых двух положениях кодона, а синонимичные замены в третьем положении могут применяться только для тонкого анализа взаимоотношений в рамках относительно близкородственных групп.

Филогенетические реконструкции. Для получения предварительной картины филогенетических взаимоотношений среди байкальских Lumbriculidae мы

использовали последовательности фрагмента гена 18S рРНК. Этот ген эволюционно консервативен и, следовательно, является инструментом, пригодным для молекулярно-филогенетического анализа на уровне рода и более высоких таксономических уровнях (Hills & Dixon, 1991).

В качестве внешней группы были выбраны три вида тубифицид (Tubifex tubifex, Limnodrilus hoffmeisteri, Limnodrilus claparedeianus).

При помощи программы FastDNAml (Olsen et al., 1994) получено оптимизированное древо (Рис. 1), построенное на основе топологии предварительного максимально правдоподобного древа и категорий вариабельности (программа DNArates из пакета PHYLIP; Felsenstein, 1996) каждого сайта исследуемого набора нуклеотидных последовательностей.

Полученная схема филогенетических отношений во многом согласуется с данными кладистического анализа по морфологическим признакам (Brinkhurst, 1989). Все виды, принадлежащие отдельным родам, кластеризуются вместе. Исключение составляет род Rhynchelmis, который, как и на кладограмме Бринкхерста, распался на две разные клады. Так называемые «мелкие» Rhynchelmis выделяются в отдельную группу и расходятся от одной предковой линии со Styloscolex.

Tubifex

rC

Trlchodrilua

Rh. bcachyc«phala I S. choryoidale«

1 S. baicalenaie

- В b . а 1 у о n а •

------ Rh ahamananaia

— L atigmatiaa

- T. korotneffi

A. varmivoru»

I- L. achaetua

l.- pygmaeu» -St. opiatoannulatu ■ 8t. aaiatlcu»

■C

T. tubifex

L . claperidianu - L . hoffmeiate

Рис. 1. Оптимизированное филогенетическое древо, полученное с помощью пограммы FastDNAml (Oise et al., 1994) на основе топологии предварительно построенной схемы и категорий вариабельности в каждом сайте набора нуклеотидных последовательностей 18S рРНК, полученных при использовании программы DNArates (из пакета PHYLIP, Felsenstein, 1996).

Испанский вид Trichodrilus diversisetosus, принадлежащий сем. Lumbriculidae, совершенно справедливо встает в ряд с байкальскими люмбрикулидами, занимая наиболее близкую к предковой линии позицию. Три рода Lamprodrilus, Teleuscolex и Agriodrilus эволюционировали, по-видимому, от единой предковой линии, так как на полученном древе образуют единый кластер. Единственным серьезным расхождением результатов, полученных двумя различными методами (parsimony & maximum likelyhood), на основе качественно (морфологические и молекулярные) и количественно (20 и 508) разных наборах признаков, является положение рода Rhynchelmis. В отличие от кладограммы Бринкхерста, где этот род занимает место самого молодого таксона среди люмбрикулид, положение Rhynchelmis brachycephala на оптимизированном древе (Рис.1) однозначно ближе к корню, что опровергает предположение о роде Rhynchelmis как более продвинутом таксоне среди Lumbriculidae.

Для того чтобы разобраться в этом вопросе, был проведен более детальный анализ филогенетических взаимоотношений внутри семейства Lumbriculidae на уровне видов. Для этого мы использовали в качестве ДНК-маркера фрагмент первой субъедшшцы митохондриальной цнтохром оксидазы с, одним из преимуществ которой является теоретическая возможность получения временных оценок дивергенции различных таксонов на основе гипотезы молекулярных часов.

Для получения общей картины филогенетических взаимоотношений видов внутри группы было построено древо (Рис. 2) на основе 34 нуклеотидных последовательностей (включая 9 представителей внешней группы), соответствующих фрагментам гена mtCOI при помощи программы LINTRE (Takezaki et al., 1995). Ввиду того, что генетические расстояния между наиболее удаленными видами оказались весьма велики, для характеризации филогенетических отношений в рамках всего набора видов использовались только несинонимичные замены.

Проведенный анализ выявил хорошую согласованность полученной нами филогенетической схемы и классификации, основанной на сравнении морфологических признаков. Установлена монофилетичность родов Styloscolex. Stylodrilus и Lamprodrilus. Согласно полученным филограммам, роды Agriodrilus. Teleuscolex и Lamprodrilus произошли в результате единовременной радиации от общего предка и представляют собой истинный букет видов. Порядок ветвления

внутри этой группы достоверно не разрешается, даже если эти виды анализируются отдельно от остальных с одной или двумя внешними группами и при использовании только третьих позиций кодонов (Рис. 3). Идея объединения этих трех таксонов в единый род не нова и уже высказывалась ранее другими авторами (Соок, 1971; ВппкЬигз!, 1989) на основе изучения морфологических признаков.

А а г с Ь 1 С и

- р ьа»г1

-- н раисхГазслз

- Т г и Ы * • х

Н с о в Ь а Ь а Р пшиси)

.В {а1с1(осп1з

t

С агвпагьи* 5 I ор1!Ю|ПП1

5 ( а«хаъ1сиа — р а г V и »

. ■ Я ЬгасЬус*рЬа1а - Ь «еЬавЪи*

' »епхжсЬаеЬиа

-[-1

I- и «о

- Ь I 1 * I

I— Ь десаЬЬесиа Ь ааЬугдасиа

■ — ■ ■ - Ь ро!уЪог(и1

Т коге1пвГС1

- Т Ь*1са1епааа

- I. <1 у Ъ о » а к 1

- Ь • а д п в г 1

-С

I. '»вевгои»' в Ы 1 С1 1*пI 1 а 5 сНгуох<1»1*а Б авутпвЪг1сив - в ко1о«ко«1

- X • Ь а в а п •

В а 1 у о п а а

1 а Ъ и

Рис. 2. Филогенетические отношения внутри группы видов семейства ЬитЬпсиПс1ае, полученные с помощью программы ЫЫТЯЕ (Такегак1 е/ а1., 1995) на основе сравнения 34 фрагментов нуклеотидных последовательностей гена ппС01._

Род Rhynchelmis по нашим данным (Рис. 2) оказался полифилетичным: в нем выделяется группа так называемых «мелких» Rhynchelmis. Ранее Грабье (Hrabe, 1982) высказывал мнение о выделении отдельного рода Pseudorhynchelmis. Основанное на изучении морфологии лишь одного вида, это предложение не было поддержано другими исследователями (Giani and Martinez-Ansemil, 1984). Детальный филогенетический анализ морфологических признаков внутри сем. Lumbriculidae (Brinkhurst, 1989), указывает па то, что Rhynchelmis и Pseudorhynchelmis имеют различные корни. С накоплением новых данных по морфологии так называемых «мелких» Rhynchelmis все больше сомнений вызывает правомерность включения данной группы видов в род Rhynchelmis. По нашему мнению вполне оправдано выделение группы «мелких» Rhynchelmis в самостоятельный род.

Т . t и Ь i f в

; а Л в П Я 1 S

Rh. s h

- Rh. brachycephala

- L. achaetus

T. korotneffi

L. ' hamiachaet'

f:

- L . ammophagu decathecue eatyriscus ~ А . vermivoru polytoreutu

T. baicalensis — L. dybowski

L. stygmati

Рис. 3. Схема филогенетических взаимоотношений внутри группы "Lamprodrilus". Представители рода Rhynchelmis выбраны в качестве внешней группы. Максимально правдоподобное древо построено при помощи программы PUZZLE 4.0 (Strimmer & von Haeseler, 1997.

Оценка времени видовой радиации. Набор видов люмбрикулид, использованный для филогенетической реконструкции, позволяет выявить неравномерность эволюционного процесса и выделить несколько периодов более интенсивного видообразования. Если принять оценку 0.1% несинонимичных замен в 1 млн. лет (Juan et а!., 1996), то степень генетических различий, выявленных между наиболее удаленными друг от друга байкальскими видами, позволяет предположить, что возраст всей группы сопоставим с геологическим возрастом озера и составляет приблизительно 28-30 млн. лет.

К сожалению, для олигохет невозможно использовать данные палеонтологической летописи для калибровки скорости накопления замен. Поэтому единственной возможностью остается использование имеющихся оценок скоростей молекулярной эволюции, вычисленных для других групп животных.

Используя программу «tpcv» из пакета LINTRE (Takezaki et а!., 1995) были отобраны 22 таксона, для которых поддерживается предположение о наличии молекулярных часов. Отобранные последовательности использовались для построения автоматически укорененного древа на основе гипотезы молекулярных часов.

Наиболее подходящим типом замен для оценки возраста радиации, приведшей к образованию наиболее молодой и многочисленной группы «Lamprodrilus», оказались транзиции в третьем положении кодона, которые, однако, из-за насыщения могут дать несколько заниженные оценки. Поскольку накопление нуклеотидных замен является случайным процессом, то в случае группы «Lamprodrilus» мы воспользовались тем обстоятельством, что порядок ветвления в этой группе достоверно не разрешается, несмотря на достаточное количество филогенетической информации. Для определения среднего числа замен накопившихся со времени образования этой группы, усредняли попарные расстояния между всеми видами, соединяющимися ветвями, проходящими через данный узел. В данном случае, для пучка видов группы "Lamprodrilus", это среднее составило 13% ± 2%, что, если принять оценку 4% транзиций за 1 млн. лет (Collins et а!., 1996), примерно соответствует 3,3 ± 0,5 млн. лет.

Сравнительный анализ двух популяций Rhynchehnis alyonae. Определены нуклеотидные последовательности фрагмента гена mtCOI для 16 особей Rh. alyonae из двух разрозненных популяций (7 - из Ольхонских ворот и 9 - из Муринской банки). На основе полученных данных, главным образом на основе сравнения синонимичных замен, проведен филогенетический анализ.

.17 ]0 .

10

]0С

ы

.300г- Ь.эагута:* - Т 1сэгоггге£П

. рЫугогеоГиз - 150551ш 0 VI -1_5есегш5

— Ь ^Ьо'Л'зЬа

-I. \v3gneri

- —. и^сииа сКа епз

- Ь э^ппо

-ЬасЬаетг

к. \егхи^иги:ь

60 г:1

Рис. 4. Схема филогенетических отношений двух байкальских популяций КИупсИг1т!5 Ыуопае. Максимально правдоподобное древо получено с помощью программы ЮВООТ (ПЫТКЕ, Такегак! а а!., 1995) при использовании модели Татига-Ыеь

Максимально правдоподобное древо и оценки длин ветвей при использовании модели замен Тамуры - Нея получали с помощью программы НГВООТ (Ы№ГК.К, Такегак1 е/ а1, 1995). В результате построено филогенетическое древо (Рис. 4), доказывающее близость двух популяций.

Последовательности из двух популяций Як Ыуопае со значительной статистической поддержкой кластеризуются вместе. Это подтверждает, что, несмотря на существующую географическую изоляцию, эти популяции сохранили их видовую принадлежность. Вопреки факту, что для популяции из Ольхонских ворот уровень внутривидовой вариации сравним с таковым между представителями разных видов, все же остальные олигохеты отходят в аут-группу.

■ В среднем, внутригрупповые генетические расстояния для муринской популяции в несколько раз короче по сравнению с ольхонской. Если бы скорости накопления замен в обеих популяциях были бы равными или не слишком различались, то это могло означать, что ольхонская популяция является источником, а муринская популяция была основана ее иммигрантами, прошедшими популяционное «бутылочное горлышко».-Эта гипотеза могла быть очень вероятной, так как Ольхонские ворота обнаруживают самое высокое видовое разнообразие байкальских люмбрикулид. Однако тест относительной скорости («1рсу», ЬГЫТИЕ, ТакегаЫ ег а/., 1995) в присутствии любой внешней группы в наборе данных выявляет значительную (- в 5 раз) разницу в скорости накопления замен между этими популяциями. Это не противоречит гипотезе об Ольхонских воротах как источнике Як Ыуопае для Муринской банки, но обнаруживает интересный факт огромного различия в скорости молекулярной эволюции внутри одного вида.

Трудно объяснить, как этот мелкий обитающий только в песке червячок мог пересечь озеро. Любая линия между двумя ареалами неизбежно проходит через большие глубины (более 250 м), служащими надежным изолирующим барьером. Одним из вариантов объяснения этому может быть падение уровня Байкала как минимум на 200 метров, но подобного перепада глубин в данный период геологической истории Байкала не зафиксировано.

Анализ причин и путей эволюции семейства ЬитЬпсиИс1ае в Байкале. Мшющетинковые черви, как и другие «мягкие» организмы не оставляют палеонтологической летописи. Это главная причина некоторых допущений в анализе путей формирования таких групп в водоемах в прошлом. Рассмотрение вопроса о происхождении фауны олигохет в Байкале неразрывно связано с определением ее возраста. Высокий уровень эндемизма олигохетной фауны подразумевает её развитие в относительно замкнутых экологических условиях. Как показали недавние молекулярно-филогенстические исследования байкальских эндемичных коттоидных рыб (Кирильчик, Слободянюк, 1997) и моллюсков (Зубаков и др., 1997), широкая

видовая радиация может быть достигнута в относительно непродолжительные геологические сроки, порядка нескольких миллионов лет.

Возраст всей группы люмбрикулид, оцененный нами приблизительно в 28-30 млн. лет, сопоставим с геологическим возрастом Байкала (Mats, 1993). Недавние исследования эволюции млекопитающих древней Монголии, территориально близкой к байкальскому региону, показали, что обнаруженная резкая смена фауны близко совпадает по времени с максимумом глобального похолодания, который отмечен 33.5 млн. лет назад (Meng & McKenna, 1998). Очень важным является также то, что около 35 млн. лет назад происходит активизация тектонической деятельности, что соответствует началу собственно рифтовой стадии формирования байкальского разлома (Mats, 1993). Начиная с этого периода, углубление байкальской котловины начинает опережать ее заполнение озерными осадками. По-видимому, с этого момента и следует начинать отсчет «непрерывности» существования Байкала. Таким образом, на границе эоцена и олигоцена создатись серьезные предпосылки для активизации видообразовательных процессов у люмбрикулид. Поэтому, полученную нами датировку дивергенции исследуемого семейства (~28-30 млн. лет) выглядит весьма правдоподобной в свете палеолимнологических данных.

Наиболее ярким событием эволюционной истории люмбрикулид, согласно полученных нами данным, является взрыв видообразования 3.8-2.8 млн. лет назад. Как до, так и после этого периода, эволюционной стагнации у олигохет не наблюдается. Однако на протяжении весьма длительного развития этой группы в Байкале событие такого масштаба - единственное. Потомки линий, образовавшихся в это время, обитают на различных глубинах и субстратах. Вместе с тем необходимо отметить, что аналогичные взрывы видообразования наблюдаются в точности в то же самое время для других групп бентосных беспозвоночных - моллюсков семейства Baikaliidae (Зубаков et al, 1998). С другой стороны, согласно имеющимся в настоящее время данным, организмы, обитающие в толще воды (рыбы, амфиподы) не подвергались столь значительным эволюционным преобразованиям в этот период. Таким образом, можно предположить, что причиной такого эволюционного «взрыва» бентосных организмов Байкала, в частности олигохет и моллюсков, послужили изменения климата (похолодание) и резкие преобразования поверхности дна. Наиболее вероятными представляются изменения рельефа дна и образование больших глубин (орографические процессы), а так же изменение режима осадконакопления, то есть - пищевых потоков. В этом случае имеет место пищевая специализация, которая, несомненно, существует среди олигохет.

Датировка дивергенции видов группы «Lamprodrilus» выпадает на очень богатый геологическими событиями период истории Байкала. Около б млн. лет

назад в результате периодического сезонного замерзания поверхности озера, его термохалинный режим принципиально изменился (Шерстянкин и др., 1995). До этого времени, глубины Байкала ниже первой сотни метров, вероятно, были почти безжизненны, так как из-за разложения растительных осадков, они были лишены кислорода. Затем холодные поверхностные воды стали опускаться на глубину, насыщая абиссаль озера кислородом. Это создало предпосылки для возникновения специализированных глубоководных видов. Высокая концентрация кислорода по всей толще позволяет существование в Байкале абиссальной фауны, что делает озеро Байкал абсолютно уникальным по сравнению с такими озерами, как Танганьика и Малави (Африка), где ниже 250 м фактически нет кислорода (ВеаисЬатр, 1953). Однако, несмотря на то, что отдельные представители байкальских люмбрикулид встречаются на очень больших глубинах, особенно резко выраженными чертами глубоководных животных (прозрачное, лентовидное тело), обитающим только на глубинах свыше 100 метров, обладают лишь Ьатргос1гИт ЬуМш и 1атрго(1гИт т/1а1ш. Насыщение кислородом абиссальной зоны и, как следствие, верхних слоев грунта объясняет преимущественное обитание байкальских олигохет в толще грунта до 20-25 см и в связи с этим их специфические морфологические черты. Например, большинство видов люмбрикулид, особенно это характерно для представителей группы «Ьатргос1п1и8», имеют сильную мускулатуру и прочную эластичную кутикулу, что дает им возможность перемещения в плотных грунтах. Щетинки в этом случае утрачивают свою локомоторную функцию (¿. \vagneri, аскаеЫв ИетгасИаеШх) вплоть до их полной редукции (¿. асНае1и£). Таким образом, насыщение грунта кислородом способствовало уходу олигохет с поверхности грунта и спасению от пресса хищников (главные враги олигохет - рыбы и многочисленные виды амфипод). Кроме того, под давлением хищников эволюция люмбрикулид пошла по пути отбора более мелких форм (группа «мелких» й/г^гсе/гг/т«, многие представители рода Ьатргос1гИи$ pygmaeus, Ь. аскааш, Б1у1о5со1ех

Ьа1са1е№15, Б. сЬогуо\с1а1е$, £ а$утте1г1си5). Видимо, защищаясь от амфипод n¡grcscens, имеющий мягкие покровы, приспособился к обитанию строго в обрастаниях камней или подошвах губок. Однако коэволюции в системе хищник-жертва не наблюдается. Для байкальских амфипод минимальным возрастом дивергенции считается 30 млн. лет (Огарков и др., 1997), что примерно соответствует времени дивергенции люмбрикулид на уровне семейства.

Смена термохалинного режима и вызвавшее его похолодание вряд ли могли сильно сказаться на литоральных видах. По всей видимости, климатические изменения не имели катастрофического характера для олигохет. Известно, что все люмбрикулиды - холодолюбивые стенотермы (Изосимов, 1962). Поэтому неудивителен расцвет этого семейства в период похолодания на Байкале. Кроме

того, около 3.5 млн. лет назад уровень тектонической активности очень резко возрастает, что соответствует началу собственно орогенной (необайкальской) стадии в геологической истории Байкала (Mats, 1993).

Исходя из того, что видообразование внутри изучаемой группы носило «взрывной» характер, можно предположить наличие массового вымирания, предшествующих столь бурной радиации (Eldridge et al, 1997; Wignal & Hallen, 1997). Правда, вымирать могли не только люмбрикулиды, но и другие бентосные организмы, высвобождая, таким образом, экологическую нишу. Появление, с одной стороны, новых, а, с другой стороны, расширение уже имевшихся адаптивных зон способствовало расцвету именно люмбрикулид как наиболее приспособленных к суровым условиям обитания в холодном горном озере.

В результате анализа распределения по Байкалу олигохет изучаемого нами семейства Lumbriciilidae обнаружено исключительно много совместно обитающих видов. Например, Ольхонские ворота являют собой образец симпатрического видообразования для нескольких букетов видов байкальских люмбрикулид. Здесь на одном сравнительно небольшом экологически однородном участке, не разделенные никакими географическими преградами, совместно обитают не менее 16 видов из группы «Lamprodrilus», 5 видов из рода Styloscolex и 5 видов «мелких» ринхелмисов.

Для группы «мелких» Rhynchelmis, видимо, наиболее подходящей является парапатрическая модель. Наличие промежуточных форм у трех новых видов Rhynchelmis, обитающих в Ольхонских воротах, свидетельствует о наличии гибридной зоны - участка, где виды не выказывают полной репродуктивной изоляции и могут гибридизоваться друг с другом, что, в свою очередь, является характерным признаком парапатрического видообразования.

Аллопатрическая модель тип 16 по Бушу (периферические изоляты; Bush, 1975) так же предполагает наличие промежуточных форм: субпопуляции на периферии ареала, занимаемого основной популяцией, могут стать изолированными и начать дивергировать генетически до тех пор, пока не случится репродуктивная изоляция. Однако, исследование двух разрозненных популяций из Ольхонских ворот и Мурннской банки, находящихся друг от друга на значительном расстоянии (-200 км), дает основания опровергнуть предположение о том, что эти промежуточные формы являются периферическими изолятами. Таким образом, для видов из группы «мелких» Rhynchelmis признается наличие гибридной зоны и, как следствие, парапатрическая модель видообразования. Тогда как виды из родов Styloscolex и Stylodrilus эволюционировали, вероятно, по классической аллопатрической модели. Хотя многие виды рода Stylodrilus, возможно, тоже имеют локальное происхождение (Муринская банка) и, следовательно, механизм их видообразования вполне может быть симпатрическим.

Выводы

1. В результате морфологического анализа идентифицировано 47 видов байкальских люмбрикулид, обнаружено 5, описано 2 новых вида.

. 2. Выявлена удивительная неравномерность распространения видов семейства Lumbriculidae по Байкалу. Наиболее богатым по видовому разнообразию оказался пролив Ольхонские ворота.

3. Определены нуклеотидные последовательности фрагмента гена 18S рРНК длиной 508 п.н. для 13 видов байкальских олигохет семейства Lumbriculidae и Trichodrilus diversisetosus из Испании и нуклеотидные последовательности фрагмента гена mtCOI длиной 642 п.н. для 25 видов байкальских люмбрикулид и тот же участок гена длиной 633 п.н. для 16 особей из двух популяций Rhynchelmis alyonae.

4. Получены филогенетические схемы на разных таксономических уровнях внутри семейства Lumbriculidae. Установлена монофилетичность родов Styloscolex, Stylodrilus, Lamprodrilus и полифилетичность рода Rhynchelmis. Выделение группы «мелких» Rhynchelmis в самостоятельный род и объединение видов, принадлежащих родам Lamprodrilus, Teleuscolex и Agriodrihis, в группу «Lamprodrilus» оправдано как с точки зрения морфологии, так и молекулярной филогении.

5. Доказано, что в семействе Lumbriculidae имело место взрывное видообразование. Выдвинута гипотеза о снмпатрическом видообразовании для группы «Lamprodrilus».

6. В результате исследования внутривидового полиморфизма Rhynchelmis alyonae предложена парапатрическая модель видообразования для группы «мелких» Rhynchelmis. Кроме того, выявлено, что две популяции Rhynchelmis alyonae эволюционируют с разной скоростью.

7. Наиболее правдоподобная оценка времени начала дивергенции семейства Lumbriculidae в Байкале приходится на период около 28-30 млн. лет назад. Возраст наиболее молодой радиации, приведшей к образованию букета видов группы «Lamprodrilus», оценивается в 3.8 - 2.8 млн. лет.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Кайгородова И.А., Зубаков Д.Ю., Щербаков Д.Ю., Мартэн П., Верхейен Е. Молекулярно-филогенетическое исследование байкальских эндемичных олигохет семейства Lumbriculidae. // Тезисы докладов Международного Симпозиума «Экологически эквивалентные виды гидробионтов в Великих озерах мира ». Улан-Удэ, Россия, 2-4 сентября 1997. - С.105.

2. Kaygorodova I., Martin P., and H. Verheyen. Evolutionary genetics of Lumbriculidae

in Lake Baikal (Siberia, Russia). // Book of abstracts of Seventh International Symposium on Aquatic Oligochaeta, Presc Isle, USA, 5-11 July 1997. - P.10.

3. Ferraguti M., Erseus C., Kaygorodova I., and P. Matrin. New sperm types in Naididae and Lumbriculidae (Annelida: Oligochaeta) and their implication in the phylogeny of the two families. // Book of abstracts of Seventh International Symposium on Aquatic Oligochaeta, Presc Isle, USA, 5-11 July 1997. - P.2.

4. Martin, P., Ferraguti, M., and I. Kaygorodova. Description of two new species of Rhynchelmis (Oligochaeta: Lumbriculidae) from Lake Baikal (Russia), using classical morphology and ultrastructure of spermatozoa. // Annls Limnol. 1998. - V.34. - P.283-293.

5. Ferraguti, M., Erseus, C., Kaygorodova, I., and P. Martin. New sperm types in Naididae and Lumbriculidae (Annelida: Oligochaeta) and their possible phylogenetic implications. //Hydrobiologia. 1999. - V.406. - P.213-222.

6. Kaygorodova I., Sherbakov D., Martin P., and E. Verheyen. Molecular phylogenetic study of endemic Lumbriculidae (Oligochaeta) from Lake Baikal (Russia). // Book of abstracts of Seventh Congress of the European Society for Evolutionary Biology, Barcelona, Spain, 23-28 August 1999. -11-156.

7. Martin, P., Kaygorodova I., Sherbakov D., and E.Verheyen. Rapidly evolving lineages impede the resolution of phylogenetic relationships among Clitellata (Annelida). // Molecular phylogenetics and Evolution. 2000. - V.l 5. - № 3. - P. 355-368.

8. Kaygorodova I., Sherbakov D. and E. Verheyen. Comparative molecular phylogcnetic analysis of two populations of Rhynchelmis alyonae from Lake Baikal. // Book of abstracts of 1st Conference "Biodiversity and Dynamics of Ecosystems in Northern Eurasia", Novosibirsk, Russia, 21-26 August, 2000. - Vol.5, - Part 2. - P. 177-179.