Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Организация и эволюция кариомов у чешуекрылых (Lepidoptera)

ВАК РФ 03.00.09, Энтомология

Автореферат диссертации по теме "Организация и эволюция кариомов у чешуекрылых (Lepidoptera)"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ЗООЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЛУХТАНОВ РГБ ОД

Владимир Александрович

Р Р 1 8 ЙНЗ £30С

ОРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ КАРИОМОВ У ЧЕШУЕКРЫЛЫХ (LEPIDOPTERA)

03.00.09 - энтомология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена на кафедре энтомологии Биолого-почвенного факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный консультант:

доктор биологических наук, профессор А.А. Стекольников

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук С. Ю. Синев

доктор биологических наук, профессор А. Ф. Смирнов

доктор биологических наук, профессор А. В . Селиховкии

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Защита состоится «. У...» ..... 2000 г. в 14 часов

на заседании Диссертационного совета Д 002.63.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Зоологическом институте РАН по адресу:

199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 1 Факс (812)328-29-41

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Зоологического института РАН

Автореферат разослан «. 1Ъ> ..... 1999 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор биологических наук

Н.А. Петрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Чешуекрылые, или бабочки (Lepidoptera) -эдин из крупнейших отрядов насекомых. Представители этого отряда обладает целым рядом своеобразных цитогенетических характеристик: высокими фомосомными числами, ахиазматическим оогенезом, гетерогаметностью жен-жого пола, специфичным для самок половым хроматином и рядом других осо-эенностей (Robinson, 1971; White, 1973; Wolf, 1994; Лухтанов, 1998). По этой причине в последние годы некоторые виды бабочек (преимущественно тутовый шелкопряд Bombyx morí, мельничная огневка Ephestia kuehniella и восковая моль Gallería melloneUä) целенаправленно изучаются генетиками как объекты, по многим параметрам альтернативные позвоночным (человек, домовая мышь и др.) и двукрылым насекомым (дрозофила).

Тем не менее, некоторые важные аспекты кариологии Lepidoptera - вопросы о строении кинетического аппарата хромосом, типичных хромосомных числах, хромосомных механизмах определения пола, особенностях дихотомического мейоза - до сих пор до конца не выяснены и являются предметом дискуссий (Suomalainen, 1969а; Kiauta, 1971; Hamon, Chauvin, 1992; Wolf, 1994; Traut, Maree, 1996, 1997). Наиболее принципиальная проблема организации кариома чешуекрылых - является ли он системой, функционирующей и эволюционирующей как единое целое или же это механическая сумма отдельных хромосом - даже не поднимается в литературе.

Анализ работ генетиков и цитологов показывает, что по ряду кариологиче-ских признаков представители разных типов животных - двукрылые и позвоночные - имеют больше общих черт, чем двукрылые и чешуекрылые - представители одного класса. Сходство позвоночных и двукрылых основано, вероятно, на плезиоморфиях и, в общем, не удивительно. Принято считать, что принципиальная реорганизация генетического аппарата характеризовала становление лишь крупнейших групп организмов на уровне царств и надцарств. Примеры тому - возникновение эукариот, мезокариотических организмов и вирусов (Смирнов, 1991; Кусакин, Дроздов, 1998). Предполагается, что в ходе дальнейшей дивергенции меняются лишь количественные параметры генетического аппарата: размер генома, соотношение в геноме отдельных классов нуклео-тидных последовательностей, а также их порядок в хромосомах вследствие хромосомных перестроек (см. например, обзоры: Гинатулин, 1984; Гилева, 1990).

Изучение насекомых показывает, что далеко не всегда это так. Эволюция надотряда Amphiesmenoptera, который помимо чешуекрылых включает родственных им ручейников (Trichoptera) (рис. 1), также сопровождалась существенной реорганизацией хромосомного аппарата (Suomalainen, 1969а; Wolf, 1994; Лухтанов, 1998). В связи с этим возникает вопрос: когда, на каких этапах дивергенции отряда возникли уникальные цитогенетические особенности бабочек, и как они менялись в филогенезе. Найденные в литературе сведения не

позволяли однозначно ответить на него, так как они были получены на ограниченном круге объектов, относящихся почти исключительно к Масго1ер1с1ор1ега, одной из групп филогенетически продвинутого инфраотряда БШу^а. Данные для большинства таксонов более примитивных недитризных бабочек и дитриз-ных М1сго1ер1<1ор1ега до проведения настоящего исследования были чрезвычайно скудны или вообще отсутствовали.

Цель и задачи исследования. Основной целью данной работы было изучение особенностей организации кариомов чешуекрылых и закономерностей их преобразований в филогенезе отряда. Для достижения этой цели были поставлены задачи:

1) исследовать различные аспекты организации кариомов во всех основных группах палеарктических Ьер1с1ор1ега, обращая внимание в первую очередь на примитивные, а также на наименее изученные подотряды и надсемейства,

2) изучить цитогенетические особенности ручейников (ТпсЬор1ега), сестринской группы чешуекрылых, образующей вместе с бабочками надотряд Аш-рЫе5тепор1ега,

3) реконструировать исходный план (архетип) организации кариома у Аш-рЫезтепорЮга и ЬерШор1ега,

4) проанализировать две модели организации кариомов у чешуекрылых: а) модель кариома как целостной системы, б) модель кариома как механической суммы отдельных хромосом,

5)"рассмотреть закономерности изменений кариомов чешуекрылых в филогенезе отряда,

6) выявить закономерности быстрой кариотипической эволюции, сопряженной с процессами видообразования.

В ходе исследования выяснилось, что цитогенетические признаки в отдельных случаях могут оказаться достаточно действенным инструментом для решения проблем систематики. Поэтому были поставлены дополнительные задачи:

7) проанализировать таксономическую значимость признаков кариома,

8) предложить конкретные варианты решения некоторых сложных таксономических проблем, связанных со структурой подотряда Не1егопеига и разделением видов-двойников в некоторых родах Бигу5!а.

Научная новизна. Изучены кариомы 220 видов чешуекрылых, относящихся к 32 семействам, 17 надсемействам и 8 инфраотрядам Ьер1с1ор1ега, а также 8 видов ручейников из подотрядов АппиНра1р1а и 1п1е£пра1р1а (для большинства видов данные получены впервые). Исследованные таксоны представляют все подотряды и инфраотряды (рис. 1) и большинство надсемейств палеарктических чешуекрылых. В ходе исследования выяснилось, что в цитогенетическом отношении отряд Lepidoptera гораздо более гетерогенен, чем это представлялось ранее.

Впервые определены хромосомные числа у представителей разнокрылых недитризных чешуекрылых (КерЦсиНпа, 1псигуагнпа и "ПясЬегипа). Абсолютные и относительные размеры хромосом дитризных бабочек установлены на основании их точных промеров. Доказано наличие ахиазматического мейоза у самок стенопсихоидных ручейников, нептикулоидных и тишериоидных чешуекрылых. Гетерогаметность женского пола и хромосомный механизм определения пола найдены в инфраотряде ТЪсИегипа. Показано отсутствие полового хроматина у представителей подотрядов и инфраотрядов ге1^1ор1ега, Оас-попурЬа, Ехоропа, Кер^сиНла и 1псигуагипа. Впервые половой хроматин найден у самок недитризных чешуекрылых (ПБсЬегппа). Доказано отсутствие атипичного сперматогенеза у личинок и куколок ручейников. Установлено, что сперматозоиды и пучки сперматозоидов у ОаспопурЬа устроены более примитивно, чем у 2е1щ1ор1ега. Выявлена аутапоморфия в организации пучка сперматозоидов у Ехоропа. Доказано наличие дихотомического сперматогенеза для всех Нйегопеига. Определены модальные и реконструированы анцестральные числа для большинства надсемейств дитризных бабочек. Установлен факт сохранения числа хромосом п=31 и симметричной структуры кариома в филогенезе ВкгуБт в условиях накопления структурных перестроек хромосом. Показана большая примитивность тинеоидных чешуекрылых по сравнению с геле-хиоидными. Обоснована монофилия группы ТЪсЬегппа+Окгузщ и ряда других таксонов чешуекрылых.

Доказано высоко упорядоченное положение метафазных бивалентов в сперматоцитах первого порядка у голубянок рода А^осНаеШя. Выявлены закономерности этого упорядоченного расположения. Выявлено наличие центростремительной силы, действующей на биваленты в фазе конгрессии. Установлено, что хромосомные перестройки влияют на порядок бивалентов на метафазных пластинках.

При изучении рода А^осИае1т найдены 4 принципиально разные направления быстрой кариотипической эволюции, сопряженной с процессами видообразования. Впервые для чешуекрылых выявлен случай дифференциации хромосом на мега-, макро- и микрохромосомы. В природной популяции А. яигакоу1 обнаружено явление необычайно высокой частоты спонтанных хромосомных мутаций (транслокаций и разрывов хромосом) и феномен возникновения множественных хромосомных перестроек.

Впервые в отряде ЬерМор1ега обнаружены бисексуальные виды, для которых с высокой долей вероятности можно предполагать полиплоидное происхождение.

Впервые проведена оценка значимости кариотипических признаков для разделения близких видов чешуекрылых. Установлено, что внутривидовая изменчивость хромосомных чисел у чешуекрылых лежит в пределах 1-4 единиц. Выявлены цитологические механизмы этой изменчивости. Выявлены видоспе-цифичные признаки кариомов, сохраняющиеся свою стабильность на протяжении всего ареала, и признаки, подверженные внутривидовой изменчивости. На

основании^нализа кариомов обоснована видовая самостоятельность ряда ранее описанных форм из родов Agrodiaetus, Dicallomera и Euproctis и описаны 2 новых для науки вида.

Теоретическая и практическая ценность. На основании полученных результатов разработана концепция кариома чешуекрылых как системы, имеющей внутреннюю организацию и эволюционирующей как единое целое. Создана оригинальная модель организации митотической хромосомы у чешуекрылых. Предложены три эволюционных сценария, описывающих возможные механизмы возникновения и направления эволюции половой W хромосомы и полового хроматина у Amphiesmenoptera. Разработана схема, показывающая принципиальную возможность возникновения ашюполиплоидных бисексуальных видов у чешуекрылых. Реконструирован анцестральный план организации кариома у Amphiesmenoptera и прослежены закономерности его изменения в филогенезе отряда Lepidoptera.

В свете новых данных сделан критический анализ гипотез: Суомалайнена (Suomalainen, 1969а) и Киауты (Kiauta, 1971) о закономерностях кариотипиче-ской эволюции у Amphiesmenoptera, Траута и Марека (Traut, Maree, 1996, 1997) о механизмах возникновения половых хромосом и полового хроматина, Фрид-лендера (Friedländer, 1983) о возникновении дихотомического мейоза. Полученные результаты и разработанные реконструкции позволяют также дать оценку современных гипотез о структуре отряда чешуекрылых и обсудить две наиболее сложные нерешенные проблемы таксономии Lepidoptera - систему подотряда Heteroneura и происхождение Ditiysia.

Работа содержит анализ цитогенетических признаков представителей всех подотрядов и инфраотрядов палеарктических чешуекрылых и, таким образом, вносит вклад в сравнительную кариологию насекомых.

Выявленные аут- или синапоморфии могут быть использованы в систематике чешуекрылых для обоснования монофилии таксонов различного ранга: от родов до подотрядов.

Анализ явлений межвидовой и внутривидовой изменчивости кариомов важен для расшифровки цитологических и популяционно-генетических механизмов кариотипической эволюции и хромосомного видообразования.

Дано теоретическое обоснование возможности использования признаков кариома для разделения видов-двойников чешуекрылых и видовой диагностики.

. С целью получения пригодного для кариологического анализа материала разработаны три схемы разведения бабочек: 1) для видов ночных чешуекрылых, развивающихся без пронимфальной или куколочной диапаузы; 2) для видов дневных чешуекрылых, развивающихся без пронимфальной или куколочной диапаузы; 3) для видов чешуекрылых, развивающихся с пронимфальной или куколочной диапаузой. Выбор правильной схемы подготовки материала позволяет значительно расширить круг кариотипируемых объектов.

Разработана методика двухстадийного анализа метафазных пластинок, по-воляющая совместить на одном препарате изучение интактных метафазных шастинок (с целью выявления их нативной структуры) с последующим расшатыванием хромосом (с целью исследования структуры хромосом, бивален-ов и мультивалентов).

Выявлено, что Euproctis chrysorrhoea - один из наиболее опасных вредите-[ей лесного и сельского хозяйства - в действительности является комплексом и двух кариологически легко различимых видов-двойников. Один из них, ïuproctis kogistana, описан как новый вид для науки. Это открытие может шеть принципиальное значение при разработке биологических или генетиче-;ких методов борьбы с этими вредителями.

Апробация результатов и публикации. Материалы диссертации были до-южены автором на V съезде Всесоюзного общества генетиков и селекционе-)ов (Москва, 1987), на Всесоюзном семинаре "Систематика, фаунистика, эко-гогия, охрана булавоусых чешуекрылых" (Новосибирск, 1987), на X съезде всесоюзного энтомологического общества (Ленинград, 1989), на Второй За-савказской конференции по энтомологии (Тбилиси, 1989), на чтениях памяти \.С. Данилевского (Ленинград, 1988; С.-Петербург, 1995, 1999), на 50-м Чте-ши памяти H.A. Холодковского (С.-Петербург, 1997), на Третьем междуна-юдном симпозиуме по экологии и эволюции чешуекрылых (3rd International îutterfly Ecology and Evolution Symposium, Mt. Crested Butte, Colorado, USA, 1998), а также на заседаниях и семинарах кафедры энтомологии Санкт-Тетербургского университета, ученого совета Биологического НИИ Санкт-1етербургского университета и лаборатории систематики насекомых Зоологи-lecKoro института РАН. Полученные результаты используются в курсе лекций 'Вид и видообразование у насекомых" на кафедре энтомологии Санкт-1етербургского университета.

По теме диссертации опубликовано 29 научных работ, в том числе одна мо-юграфия. Еще три работы находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 271 странице, со-ггоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы, иллюстрирована 52 рисунками и 11 таблицами. Список литературы включает 323 источника, из шх 238 на иностранных языках. Приложения содержат: 1) список изученных гаксонов, 2-5) таблицы хромосомных чисел чешуекрылых мировой фауны, 6-7) габлицы относительных размеров хромосом дитризных чешуекрылых.

Терминология. В названии работы содержится слово кариом. Этот термин 5ыл введен в цитогенетическую литературу совсем недавно (Смирнов, 1991), и :го использование требует некоторых пояснений. Кариом - это прежде всего ;овокупность всех хромосом организма, характерных для данного вида. В от-1ичие от понятия геном этот термин используется для обозначения круга всех лризнаков и структур, относящихся к хромосомному (надмолекулярному) уровню организации генетического аппарата. Поэтому понятие кариом вклю-

чает такие признаки как размеры, морфология и структура хромосом, особенности их организации на всех стадиях клеточного цикла, число хромосом, закономерности расположения хромосом в интерфазных и профазных ядрах и метафазных пластинках. Особенности кариомов проявляются не только в определенной морфологии, но и в поведении хромосом в митозе и мейозе. Кариом -это целостная система, которая имеет особенности внутренней организации. Кариом является видовой характеристикой хромосомного аппарата, а кариоти-пы - это индивидуальные варианты реализации кариома.

Сокращения. М1 - первая мстафаэа мейоза; МП - вторая метафаза мейоза; п - гаплоидное число хромосом.

Благодарности. Мне хотелось бы поблагодарить своих учителей в области морфологии и кариологии насекомых, профессора Санкт-Петербургского университета Анатолия Александровича Стекольникова и ведущего научного сотрудника Зоологического института РАН Валентину Григорьевну Кузнецову. Автор благодарен сотрудникам кафедры и лаборатории энтомологии Санкт-Петербургского университета, где выполнена большая часть исследования. В этих работах участвовали студенты и аспиранты кафедры: Н.А.Белякова, В.В.Золотухин, Н.П. Кандул, Ю.В.Пуплясене. Исследования по таксономии рода Лgrodiaetus выполнены при участии А.В.Данченко (Москва), ведущего специалиста по систематике и экологии этой группы чешуекрылых.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 99-04-49564) и федеральной программы „Университеты России" (проект № 3917).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Материал и методы исследования

Основной материал был собран автором в течение 16 полевых сезонов в разных частях бывшего СССР. В большинстве случаев гусениц младших возрастов собирали в природе и выращивали в лаборатории для получения нужной фазы развития. Часть материала всегда доводили до стадии имаго, по которым производилось определение видов.

Для цитологического анализа использовались самцы (реже самки) на стадиях личинки последнего возраста, куколки или имаго. Гонады (реже насекомых целиком) фиксировали в смеси 96%-ного этанола и ледяной уксусной кислоты (3 : 1). Давленые препараты готовили из отдельных кусочков гонад, окрашенных ацетоорсеином. Кариомы самцов исследовали на разных стадиях типичного и атипичного сперматогенеза, начиная от сперматогониальных митозов и заканчивая спермиогенезом. Кариомы самок исследовали в оогониях, а также в ооцитах и питающих клетках на стадиях пахитсны и первой промстафазы мейоза. Анализировали число хромосом в митозе или число бивалентов, унивалентов и мультивалентов в мейозе, размеры хромосом и бивалентов, их

форму и взаимное расположение на стадии МТ, тип мейоза (хиаэматический или ахиазматический, нормальный или дихотомический), конфигурацию бивалентов в диакинезе, наличие или отсутствие полового хроматина в интерфазных ядрах. Для изучения полового хроматина в интерфазных ядрах делали давленые препараты из окрашенных ацетоорсеином Мальпигиевых сосудов и других внутренних органов.

Была также разработана методика двухстадийного изучения метафазных пластинок. На первом этапе отдельные, предварительно окрашенные сперма-гоцисты помещали в каплю 40%-ной молочной кислоты, рассматривали и фотографировали без раздавливания. На втором этапе, постепенно раздавливая сперматоцисту, наблюдали различные этапы распластывания хромосом. Разработанная методика помимо возможности изучения структуры интактных пластинок давала хорошие результаты при различении бивалентов от унивалентов и при анализе налеганий и соприкосновений хромосом на препаратах. Используя методику постепенно раздавливания, можно было фактически манипулировать отдельными хромосомами, изменяя их ориентацию в пространстве и положение друг относительно друга.

Для анализа анатомических признаков бабочек (гениталии, крылья, антенны) использовались традиционные методики изготовления препаратов, а также методы сканирующей электронной микроскопии.

Глава 2. Цитогенетические особенности чешуекрылых и ручейников (1пвес1а, АтрЫе8тепор(ега)

Было изучено распределение различных цитогенетических признаков по всем важнейшим таксономическим подразделениям чешуекрылых и сестринского отряда ручейников.

2.1. Число хромосом

Общее число видов чешуекрылых, для которых определены числа хромосом, приближается к 2500. Однако эти данные мало что дают для понимания закономерностей изменений хромосомных чисел в эволюции отряда, так как практически все они получены для дитризных бабочек. В силу различных методических трудностей из недитризных бабочек кариотипировано лишь 16 видов. Ббльшая часть равнокрылых чешуекрылых (2еи§1ор1ега, БаспопурЬа и Ехоропа) изучена Суомалайненом (БиотаЫпеп, 1969а), а ббльшая часть раз-нокрылых недитризных (Ыер^сиПпа, 1псигуагипа и "ПзсЬсгнпа) исследована в наших работах (Лухтанов, Пуплясене, 1990, 1996).

Установлено, что явно доминирующим числом хромосом у недитризных бабочек является п=31 (рис. 1). Это число хромосом обнаружено как в наиболее примитивном в морфологическом отношении подотряде 2е1^1ор1ега, так и в более продвинутых группах Гпсигуагипа и Мер^сиНпа. Оно же встречено у подавляющего большинства Окгуз1а (см. главу 3). Исходя из имеющихся дан-

nonditrysian Lepidoptera

Homoneura

I ~ I «

S lî lî « I | I «

S v: s 5r>:g .2 г- «3 fc »5

t il I il t I I £

I II <a* Il I s

n=3l n=32 n=32 n=31 n=31 n=21 n=31

I I L-r-l

n=31

*<Heteroneura n=31

Neolepidoptera n=3i или n=32

Glossata n=3i или n=32

Lepidoptera n=3i

-<Amphiesmenoptera

Рис. 1. Модальные (на концах ветвей) и вероятные анцестральные (в основании ветвей) гаплоидные хромосомные числа палеарктических чешуекрылых. Филогения основана на работах Кристенсена (Kristensen, 1997), Мине (Minet, 1984) и Нильсена (Nielsen, 1989) и поддержана оригинальными данными (Глава 2).

ных, можно предположить, что п=31 является анцестральным числом хромосом для Lepidoptera. Это вероятно исходное состояние изменилось в подотрядах Dacnonypha и Exoporia, для которых типично п=32, и в инфраотряде Tischeriina, для которого характерны п=21-23 (рис. 1; 3.4).

Данные по кариомам ручейников единичны и не позволяют пока реконструировать анцестральное число для этого отряда. Однако вероятнее всего, что это исходное число для Trichoptera будет лежать в пределах от п=22 до п=25. Именно такие кариомы преобладают в относительно «примитивных» семействах Rhyacophilidae, Sericostomatidae, Leptoceridae (Пхакадзе, 1930) и Stenopsychidae (оригинальные данные). Таким образом, вероятное анцестральное число хромосом у ручейников значительно ниже, чем у чешуекрылых.

2.2. Размеры хромосом и бивалентов

Проведенные измерения показали, что линейные размеры метафазных хромосом и бивалентов чешуекрылых и ручейников чрезвычайно малы и находятся, как правило, в пределах 1-2 мкм. Средние размеры хромосом подавляющего большинства других многоклеточных животных, а также многоклеточных растений гораздо выше. Маленькие размеры хромосом у бабочек связаны с малым количеством ДНК в геноме. По литературным данным, имеющимся для нескольких видов (Rash, 1974; Rohwedel et al., 1993; Wolbert, Jubbies, 1983), содержания ДНК в геноме (С) дитризных чешуекрылых варьирует от 3 до 5 х 108 нуклеотидных пар, что близко к абсолютному нижнему пределу, найденному у многоклеточных животных (см. обзор: Гинатулин, 1984). Сходный размер генома имеют также двукрылые насекомые. Однако у последних хромосомные числа, как правило, в 5-10 раз ниже, чем у бабочек, а хромосомы, соответственно, крупнее.

2.3. Кинетическая организация хромосом

Кинетическая организация хромосом - это одна из самых сложных и запуганных проблем в цитогенетике чешуекрылых и ручейников. В литературе обсуждаются следующие 5 вариантов возможной кинетической организации кромосом у Amphiesmenoptera:

1) хромосомы голокинетические (Suomalalnen, 1969а; Murakami, Imai, 1974; Viaeki, 1980); 2) хромосомы монокинетические (Bigger, 1975; Rishi, Rishi, 1990; 3us et al., 1983); 3) имеется промежуточный между голокинетическим и моно-шнетическим тип организации хромосом (Wolf, 1994); 4) хромосомы полики-«етические, т. е. в каждой хромосоме имеется несколько центромер (Wolf, 1994); 5) кинетическая организация хромосом не стабильна: в метафазе митоза а второго деления мейоза хромосомы монокинетические, а в первой метафазе «ейоза - голокинетические (Данилова, 1972,1982).

Анализ литературных и собственных данных привели к заключению, что шждая из этих пяти гипотез лишь частично согласуется с совокупностью твердо установленных фактов, имеющих отношении к морфологии и поведению

хромосом. С целью снять обнаруженные противоречия в диссертации обосновывается вывод, что представители Amphiesmenoptera имеют особый, лепидоп-тероидный тип организации кинетического аппарата хромосом (рис. 2). Его особенностями являются: 1) функциональная поликинетичность хромосом, 2) контакт кинетохора с эухроматиновыми районами хромосом, 3) двухслойность кинетохора.

2.3.1. Функциональная поликинетичность хромосом Amphiesmenoptera. Кинетохоры большинства высших Eucaryota фактически поликинетичны, так как к одному кинетохору прикрепляется несколько (до 40) микротрубочек (Альберте и др., 1994). Если размеры поликинетического кинетохора малы по сравнению с размерами хромосомы, то для описания механики движения хромосомы можно считать, что все нити веретена во время деления приложены к одной точке. Такой поликинетический кинетохор обеспечивает функциональную монокинетическую активность всей хромосомы, характерную для большинства Eucaryota.

Хотя абсолютные размеры кинетохоров чешуекрылых сравнимы с таковыми у других животных, их относительные размеры (соотношение длины кинетохора к общей длине хромосомы) очень велики. Это превращает всю хромосому в функционально поликинетическую, так как при объяснении механики движения хромосом район прикрепления нитей веретена нельзя рассматривать в качестве одной точки. Таким образом, одно из отличий морфологически поликинетических хромосом Amphiesmenoptera от монокинетических хромосом состоит в разном соотношении размеров кинетохоров к размерам хромосом. Эта на первый взгляд чисто количественная разница обуславливает качественные различия в поведении хромосом в клеточных циклах и в судьбе возникающих фрагментаций и слияний.

2.3.2. Контакт кинетохора Amphiesmenoptera с эухроматиновыми районами хромосом. Центромерные участки монокинетических хромосом всегда окружены блоками прицентромерного гетерохроматина, который хорошо выявляется при С-окрашивании (Прокофьева-Бельговская, 1986). Вследствие этого монокинетическая хромосома имеет характерную структуру (рис. 2.1). У чешуекрылых прицентромерный гетерохроматин методом С-бэндинга не выявляется (Maeki, 1981; Muramoto, 1985). Можно предположить, что кинетохо-ры чешуекрылых непосредственно контактируют с эухроматиновыми районами хромосом.

2.3.3. Двухслойность кинетохора Amphiesmenoptera. Исследования, про веденные в последние годы Даниловой (1972) и Вольфом (Wolf, 1994; Wolf е al., 1997) показали, что кинетохор чешуекрылых и ручейников имеет двух слойную структуру и, таким образом, принципиально отличен от трехслойногс кинетохора большинства других Eucaryota.

2.3.4. Заключение. Хромосомы чешуекрылых и ручейников не могут был отнесены ни к монокинетическим, ни к голокинетическим, хотя они и имею-

1 мкм

пцг

Рис. 2. Организация типичной монокинетической (1) и лепидоптероидной (2) метафазных хромосом в митозе. Изображены две сестринские хромати-ды. 3 - центрический гетерохроматиновый фрагмент монокинетической хромосомы. 4 - центрический эухроматиновый фрагмент лепидоптероидной хромосомы. дк - двухслойный кинетохор щг - прицентромерный гетерохроматин тг - теломерный гетерохроматин тк - трехслойный кинетохор э-эухроматин

ряд сходств как с первыми, так и со вторыми. По-видимому, деление хромосом Eucaryota на монокинетические, голокинетические и поликинетические является упрощением, не учитывающим ни реальное разнообразие уже описанных структурных типов кинетохоров, ни их независимое происхождение в разных таксономических группах. Существует значительно ббльшее число типов организации кинетического аппарата хромосом. Только в пределах класса насекомых хромосомы, имеющие сходство с голокинетическими, возникали в эволюции независимо 4 раза: у Thysanura, Paraneoptera, Dermaptera и Amphiesmenoptera (см. филогенетические схемы в работах: Кузнецова, 1979; Muramoto, 1985). Структуры, возникающие в эволюции независимо, почти никогда не бывают тождественными. Уже сейчас ясно, что хромосомы Amphiesmenoptera и Paraneoptera устроены по-разному: у Paraneoptera в митозе кинетохор трехслойный, имеет ббльшие относительные и абсолютные размеры (Rutas, Gimenez-Martin, 1986), а в первой метафазе мейоза происходит сжатие кинетической активности хромосом (Nokkala, 1985; Kuznetsova et al., 1997). Можно предсказать, что голокинетические хромосомы других, пока менее изученных групп насекомых тоже не будут иметь одинаковую организацию.

Наличие лепидоптероидной организации хромосом можно считать надежно обоснованным для представителей дитризных чешуекрылых и ручейников. Хромосомы недитризных бабочек, вероятно, имеют такую же организацию, поскольку морфологически при изучении на светооптическом уровне они не отличаются от хромосом Ditrysia и Trichoptera.

2.4. Ахиазматический мейоз у самок и хиазматический мейоз у самцов

Оригинальные данные по мейозу у самок были получены для 7 видов Trichoptera и 14 видов Lepidoptera. Мейоз у самцов был изучен нами у 7 видов ручейников и 220 видов чешуекрылых У самцов мейоз идет обычным образом с образованием хиазм в профазе. Терминализованные хиазмы хорошо заметны у самцов также в первой метафазе мейоза (рис. 3.1). У самок гомологичная конъюгация хромосом не сопровождается образованием хиазм (рис. 3.2 и 3.3). Поэтому в профазе и первой метафазе мейоза гомологичные хромосомы располагаются параллельно по отношению друг к другу. Полученные результаты полностью подтверждают мнение Суомалайнена (Suomalainen, 1969а) о том, что ахиазматический мейоз у самок является особенностью всего надотряда Amph ¡esmenoptera.

2.5. Половые хромосомы и половой хроматин

2.5.1. Гетсрогаметность женского пола. Гетерогаметность женского пола является, вероятно, наиболее известной цитогенетической особенностью чешуекрылых и ручейников. Изучение литературы показывает, что этот вывод базируется на изучении нескольких видов ручейников из подотрядов Annulipalpia, Spicipalpia и Integripalpia (Suomalainen, 1966; Maree, Novak, 1998),

ж» %* Л ^ А Щ 1 3 чЫк И* ъ л**

4 - * * — • * • т • % т * * * * О» 5 ' 1 У # * 8 *■>■ , 5мш г

6 < . . » Щё

Рис. 3. Кариомы ЫтперИПш 1ипа1т (ТпсЬор1ега, Limnephilidae) (1-3) и ТгвсЪепа екеЫас1е11а (ЬерМор1ега, ТЧвсЬепта (4-8):

1 - самец, М1, п=13, стрелкой отмечен половой бивалент ЪЪ\ 2 - самка, постпахитенный ооцит с 12 бивалентами и половым унивалентом Ъ (стрелка); 3 - самка, прометафаза I в питающей клетке, п=12+г, половая хромосома Ъ отмечена стрелкой; 4 - самец, М1, п=23; 5 - оогониальная ме-тафаза, 2п=46, W-xpoмocoмa отмечена стрелкой; 6 - сперматогониальная метафаза, 2п=46; 7 - самец, полиплоидное соматическое интерфазное ядро без полового хроматина; 8 - самка, высоко полиплоидное соматическое интерфазное ядро, половой хроматин отмечен стрелкой.

одного вида Zeugloptera (Traut, Maree, 1997), одного вида Exoporia (Kawazoe, 1987) и многих видов высших чешуекрылых из инфраотряда Ditrysia.

В диссертации гетерогаметность женского пола подтверждена для Ditrysia и впервые установлена для инфраотряда Tischeriina (рис. 3.5 и 3.6).

Гетерогаметность мужского пола (за исключением одного, требующего подтверждения указания для семейства Hepialidae (Exoporia) (Fayao et al., 1988) у чешуекрылых и ручейников не обнаружена.

2.5.2. Хромосомные механизмы определения пола. Для надотряда Аш-phiesmenoptera известно несколько механизмов хромосомного определения пола. В частности обнаружены механизмы определения женского пола по типу Z0 (половая хромосома W отсутствует) (рис. 3.2 и 3.3) и ZW (рис. 3.5). Описаны также механизмы ZWiW2> (Suomalainen, 1969b) и ZjZ2W (Traut, 1986; Nilsson et al., 1988).

2.5.3. Половой хроматин. Особенностью самок дитризных чешуекрылых с механизмами ZW, ZWjW2i ZtZ2W является наличие в интерфазных ядрах соматических клеток гетеропикнотического хроматинового тельца, или полового хроматина (Smith, 1945). Оно образуется в интерфазных ядрах из половой хромосомы W (Traut, Maree, 1996; Ito, 1977). Соответственно, гетеропикнотиче-ское тельце отсутствует у самок с хромосомной конституцией Z0 и имеется в двойном количестве у самок с хромосомной конституцией ZWiW2 (Suomalainen, 1969b). У самцов в интерфазных ядрах гетеропикнотическое тельце отсутствует (рис. 3.7). В рамках данного исследования половой хроматин у самок был впервые обнаружен у недитризных бабочек: в инфраотряде Tischeriina (рис. 3.8). Показано отсутствие полового хроматина в интерфазных ядрах у самок Trichoptera, Zeugloptera, Dacnonypha, Exoporia, Incurvariina и Nepticulina.

2.5.4 Эволюция половых хромосом и полового хроматина у Amphiesmenoptera. Анализ полученных оригинальных результатов, а также литературных сведений приводят к выводу, что исходным для Amphiesmenoptera был хромосомный механизм определения пола Z0/ZZ, сохраняющийся у всех Trichoptera. Вполне вероятно, что механизм Z0/ZZ был анцестральным и для отряда Lepidoptera, хотя последнее утверждение требует дополнительных обоснований. Механизм ZW/ZZ появляется в эволюции чешуекрылых еще на уровне недитризных бабочек и известен у Exoporia, Tischeriina и Ditrysia. Следующий этап эволюции полопределяющих механизмов у чешуекрылых - это изменение структуры W-хромосомы в интерфазных ядрах, что приводит к появлению полового хроматина у самок. Полученные данные позволяют предполагать что это произошло на уровне Heteroneura, а признак «W-хромосома в интерфазных ядрах у самок не активна и формирует гетеропикнотическое тельце» является общей особенностью инфраотрядов Tischeriina и Ditrysia.

2.6. Дихотомический мейоз у самцов и дихотомический сперматогенез

Высшие чешуекрылые, в отличие от большинства других животных, имеют сперматогенез дихотомического типа (Meves, 1903; Wolf, 1994). Сущность этого явления состоит в том, что сперматоциты чешуекрылых бипотенциальны. Часть из них, пройдя все стадии нормального мейоза, превращается в типичные, или эупиренные сперматозоиды. Другая часть вступает на путь атипичного сперматогенеза, приводящего к появлению безъядерных атипичных сперматозоидов.

В диссертации вначале детально описан дихотомический мейоз и спермио-генез у представителей Ditrysia, а затем в сравнительном аспекте излагаются оригинальные результаты, полученные при изучении ручейников и недитриз-ных бабочек.

2.6.1. Ditrysia. Дихотомический сперматогенез был обнаружен у всех без исключения изученных видов Ditrysia и проходил по схеме, описанной в разделах 2.6.1.1 и 2.6.1.2.

2.6.1.1. Нормальная составляющая дихотомического сперматогенеза (типичный сперматогенез). Каждый первичный сперматогоний, пройдя последовательно 6 гениальных делений, формирует сперматоцисту, состоящую из 64 сперматоцитов первого порядка. Эти сперматоциты проходят все стадии типичного мейоза, включая 2 деления созревания, и образуют округлую цисту, содержащую 256 ядер будущих сперматозоидов. В типичном спермиогенезе все ядра имеют одинаковые размеры и форму и сосредоточены в передней части пучка. В позднем спермиогенезе происходит последовательное удлинение ядер, и формируется пучок сперматозоидов, содержащий 256 ядер игловидной формы. Типичные пучки зрелых тестикулярных сперматозоидов у Ditrysia очень крупные: они имеют длину порядка 0,5 мм и ширину порядка 20 мкм. Морфология типичных сперматозоидов и пучков довольно однотипна в пределах Ditrysia. Интересно, что сходные крупные размеры семенных пучков обнаружены как у очень крупных бабочек (Macrolepidoptera), так и у Chrysoesthia sexguttella (Gelechiidae, размах крыльев 8-11 мм) и Lithocolletis sp. (Gracillariidae, размах крыльев 6-10 мм), относящихся к числу наиболее мелких представителей Ditrysia. У последних длина пучка в несколько раз превышала диаметр семенника.

2.6.1.2. Вторая часть дихотомического сперматогенеза (атипичный сперматогенез). Обнаруживается впервые в сперматоцистах на стадии зиготе-ны. Атипичные сперматоциты на разных стадиях профазы атипичного мейоза могут быть диагностицированы по отсутствию конъюгации гомологичных хромосом и, соответственно, по диплоидному, а не гаплоидному числу хромосом в ядре. В метафазе первого и второго деления созревания хромосомы не образуют правильной метафазной пластинки, а беспорядочно распределены вдоль нитей мейотического веретена. Цитологические картины первой и вто-

рой анафазы атипичного мейоза характеризуются асинхронным движением хромосом и фигурами, напоминающими мостики. В раннем атипичном спер-миогенезе ядра имеют различные размеры и беспорядочно распределены в пределах пучка. Эта стадия чрезвычайно характерна и очень удобна для диагностики атипичного сперматогенеза. В позднем атипичном спермиогенезе происходит постепенная дегенерация ядер, и возникают безъядерные пучки.

2.6.2. ТпсЬор1ега. Были изучены все стадии сперматогенеза в семенниках, извлеченных их личинок и куколок следующих видов: Б(епор.1усИе тагтогаШ (АппиНра1р1а: 81епор5усЫ<1ае), ЫтперИИия ¡ипаШ (1л^пра1р!а: ЫтперЫШае) и Мо1аппа ап^ш1а(а (1п1^пра1р1а: Мо1апт<1ае). У исследованных видов ни атипичный мейоз, ни атипичный спермиогенез обнаружены не были. Типичный мейоз у ручейников протекал так же, как и типичный мейоз у чешуекрылых. В спермиогенезе все ядра имели одинаковые размеры и форму и были сосредоточены в передней части пучка. Число ядер в пучках не подсчитывалось. Исходя их данных, приводимых в обзоре Рузен-Ранге (1980), можно предположить, что оно составляет 512. Ядра имеют веретеновидную форму и заметно отличаются от игловидных ядер высших чешуекрылых. Пучки зрелых тестику-лярных сперматозоидов имеют значительно меньшие размеры, чем у Вкгуз1а.

2.6.3. БаспопурИа. У изученных имаго Епосгата ригригеПа и Е. яетфигригеПа в семенниках были обнаружены только пучки зрелых типичных сперматозоидов. Атипичные сперматозоиды найдены не были. Типичные пучки резко отличались от таковых у Окгуз1а и были сходны с пучками у ТпсЬор1ега. Они были мелкими, а ядра сперматозоидов имели веретеновидную (не игловидную) форму. В каждом пучке можно было насчитать 64 сперматозоида.

2.6.4. Ехоропа. У изученных имаго Яерш/ил ИитиН и Н. зуМпш в семенниках были найдены только пучки зрелых типичных сперматозоидов. Атипичные сперматозоиды не обнаруживались. Пучки имели размеры, промежуточные между таковыми у БаспопурЬа и Окгузт. Ядра сперматозоидов имели игловидную форму. В каждом пучке у Н. ИитиП можно было насчитать 256 сперматозоидов.

2.6.5. Недитризные Не*егопеига. Сперматогенез был изучен у представителей ЫерИсиНпа, 1псигуагппа и ТСвсЬегипа. У всех видов сперматогенез был дихотомическим и происходил по схеме, описанной для БИгувш. Типичные пучки сперматозоидов были крупными, с длинными игловидными ядрами.

2.6.6. Заключение. Дихотомический сперматогенез был обнаружен у всех без исключения изученных видов ЭШ^а, а также в инфраотрядах КерИсиНпа, 1псигуапта и ТСБсИегнпа. Дихотомический сперматогенез не был найден при исследовании преимагинальных стадий ТпсЬор1ега, что подтверждает гипотезу Фридлендера (РпесПйгккг, 1983) о возникновении этого феномена в пределах Ьер1с1ор1ега. Что касается наличия дихотомического сперматогенеза у низших равнокрылых бабочек 2е1щ1ор1ега, БаспопурИа и Ехоропа, то этот вопрос оста-

ется пока открытым, поскольку результаты, полученные при изучении имаго противоречивы (Friedländer, 1983; Sonnenschein, Häuser, 1990; Hamon, Chauvin, 1992; полученные оригинальные данные), а преимагинальные стадии не исследовались.

Таксон Neolepidoptera (Exoporia+Heteroneura) заметно отличается от Dacnonypha по строению типичных зрелых тестикулярных сперматозоидов и пучков сперматозоидов. Если для Dacnonypha характерно сохранение общих с Trichoptera и, вероятно, примитивных признаков (относительно короткое, вере-теновидное ядро, мелкие размеры пучка), то в пределах Neolepidoptera эти структуры подверглись глубоким преобразованиям, которые были связаны с удлинением ядра и увеличением размера семенных пучков. Важно подчеркнуть, что изменение размеров семенных пучков не явилось прямой реакцией на изменение размеров тела, поскольку выяснилось, что у Ditrysia эти параметры не скоррелированы. Таким образом, признак «размер пучка» имеет достаточно высокую таксономическую ценность.

2.7. Исходный план организации кариома у Amphiesmenoptera и его изменения в филогенезе надотряда

Анализ полученных данных показал, что общий предок ручейников и чешуекрылых обладал, вероятно, следующими цитогеиетическими особенностями:

1) хромосомы функционально поликинетические с двухслойным кинетохо-ром, контактирующим с эухроматиновыми районами хромосом;

2) мейоз у самок ахиазматический,

3) гетерогаметность женского пола,

4) относительно высокие хромосомные числа (п=13-25),

5) удлиненная форма головки сперматозоида,

6) хромосомный механизм определения пола Z0,

7) пучки сперматозоидов мелкие,

9) мейоз у самцов нормальный (не дихотомический), апиренная сперма отсутствует.

10) гетеропикнозис половых хромосом в интерфазных ядрах отсутствует, полового хроматина нет.

Полученная реконструкция исходного плана организации кариома у Amphiesmenoptera и закономерности его преобразования существенно отличаются от сценария, предложенного Суомалайненом (Suomalainen, 1969а). Только частично подтвердилось предположение Суомалайнена о необычайной эволюционной стабильности всех основных цитогенетических параметров Amphiesmenoptera. Их разнообразие в пределах надотряда настолько велико, что позволяет использовать их для решения вопросов систематики и филогении.

Из изученных признаков три - (1) функционально поликинетические хромосомы с двухслойным кинетохором, (2) ахиазматический мейоз у самок и (3) гетерогаметность женского пола - являются синапоморфиями Trichoptera и Lepidoptera. Состояние Z0 признака (6) у Trichoptera и низших Lepidoptera следует рассматривать как плезиоморфное, так как оно, вероятно, эквивалентно состоянию ХО и автоматически возникает из последнего при переходе к женской гетерогаметности.

Апоморфией чешуекрылых является высокое число хромосом п=31 в гаплоидном наборе (4). Это, вероятно анцестральное для отряда число (п=31) сохраняется в качестве модального как у наиболее примитивных чешуекрылых (подотряд Zeugloptera), так и в более продвинутых группах (инфраотряды Incurvariina и Nepticulina, большинство надсемейств и семейств Ditrysia). Исходное число хромосом вторично может меняться. Так, для подотрядов Dacnonypha и Exoporia типично n=32, а для инфраотряда Tischeriina п=20-23.

У представителей клады Neolepidoptera выявлены три вероятные цитогене-тические синапоморфии: (5) игловидная форма головки сперматозоида, (6) преобладающий ZW хромосомный механизм определения женского пола и (8) наличие 256 сперматозоидов в каждом семенном пучке.

Аутапоморфией Exoporia являются промежуточные между низшими чешуекрылыми (Zeugloptera и Dacnonypha) и Heteroneura размеры пучка сперматозоидов (признак 7).

Синапоморфией всех представителей клады Heteroneura является уникальный дихотомический мейоз, приводящий к появлению двух типов спермиев (признак 9). Нельзя однако исключить, что эта синапоморфия возникла в действительности на еще более ранних этапах эволюции Lepidoptera.

В кладе Tischeriina+Ditrysia W-хромосома у самок образует в интерфазных ядрах гетеропикнотическое тельце (половой хроматин). Этот признак (10) следует рассматривать как синапоморфию Tischeriina и Ditrysia, поскольку в других группах он не обнаружен. Наличие полового хроматина позволяет поддержать гипотезу о Tischeriina как сестринской группы по отношению к Ditrysia (Nielsen, 1983; Minet, 1984). В свете этих данных альтернативная гипотеза, согласно которой таксон Tischeriina наиболее близок к Nepticulina (Common, 1975; Кузнецов, Стекольников, 1978; Davis, 1986; Козлов, 1987), кажется менее вероятной.

Полученные данные хорошо укладываются в наиболее современные филогенетические схемы надотряда Amphiesmenoptera (Kristensen, 1997; Nielsen, 1989) и подтверждают монофилию как надотряда в целом, так и подчиненных таксонов Lepidoptera, Neolepidoptera и Heteroneura (рис. 1).

Глава 3. Модальные и анцестральные числа хромосом у высших чешуекрылых (Ьер1<1ор1ега, Вкгуя!а)

Проведенный в третьей главе анализ кариомов показал, что анцестральным для Бйгуз^а является гаплоидное число хромосом п=31. Оно сохраняется и мозаично встречается в различных надсемействах Окгуз1а, как наиболее примитивных, так и в наиболее продвинутых. К числу этих надсемейств относятся Рзус^ёеа, Yponomeutoidea, Zygaenoidea, Cossoidea, Sess¡oidea, Pyraloidea, Geoшetroidea, КосЦкМеа, Notodonto¡dea, Lasiocaшpoidea, Bombycoidea, Hesperюidea и Papilionoidea. Число п=31 является и несомненной модой для инфраотряда в целом.

Модальным и, вероятно, анцестральным для надсемейств Tineoidea> Gracillarioidea, Gelechioidea и Tortricoidea является число п=30. Возможно, что п=30 возникало в разных группах чешуекрылых независимо на базе анцест-рального п=31 за счет слияний различных пар хромосом. Особенностью листоверток (Tortricoidea) является то, что кариом п=30 возник вследствие слияния половой хромосомы Ъ с одной из аутосом (механизм пео-гпео-АУ). У бражников (Sphingoidea) явно преобладает п=29, а числа п=31 и п=30 не найдены.

Анализ эволюционных преобразований кариомов у дневных чешуекрылых (Papilionoidea и Hesperioidea) (рис. 4) приводит к заключению, что изменения хромосомных чисел происходили не в моменты ветвления филогенетического древа на ветви, соответствующие надсемействам и семействам в современной системе Шюра1осега, а на уровне ветвления на подсемейства, трибы и роды. Поэтому анцестральное число п=31 сохраняется в качестве исходного для семейств НеврегМае, Pieridae, ЫутрЬаМае и Шс^Ыёае. Наиболее глубоким изменениям исходное число подверглось в семействах Р1е1^ае, ЫутрИаМае и Lycaenidae, в которых появляются роды, трибы и подсемейства с новыми хромосомными числами. Основное направление этих изменений - уменьшение чисел хромосом, а их вероятный цитологический механизм - слияние хромосом. Увеличение числа хромосом по сравнению с анцестральным в эволюции Шюра1осега происходило реже и имело существенно меньшее значение для филогении дневных бабочек. Почти всегда увеличенные хромосомные числа характерны для отдельных видов и только в крайне редких случаях - для групп родственных видов или родов.

В целом следует признать, что в силу сохранения плезиоморфного состояния хромосомных чисел, они не дают дополнительной информации для обсуждения проблем происхождения Окгуз1а и филогенетических взаимоотношений между надсемействами. Однако анализ этого признака позволяет поддержать представление о большей примитивности тинеоидных чешуекрылых по сравнению с гелехиоидными, а также таксономические гипотезы о монофилии триб ТегасоНш, Р1епш, Егопиш и АррЫ1ш (Pieridae), филогенетических ветвей НеНсоти$+Кегис1а+РЫ1ае1Иг1а ^утрЬаМае: НеНсопнт) и СЪагахея+Ро 1уига (КутрЬаШае: СЬгахтае). Одинаковое исходное число хромосом (п=24) являет-

n=3l

п~31

n=30L

- Внешняя группа п-31 -Ilcspcriidac п-31

Papilionidae

■ Baroniinae П-?

- Pamassiinae n=30

- Papilioninae n=30

n=31v

n=31

n=31

Pierinae

n=?

Pieridae

— Pseudopontiinae —Dismorphiinae

— Coliadinae —Anthocharini —Eroniini —Tfcracolini

— Appiadini

— Pierini -Leptosiini

n=?

n=31

n=31

n-31

n=16-18

n-27-28

n=32

n=2S-26

n=12,19

n=31

n-24

n=31

n-31

-31

n=31

=29(?28)

Riodinidae n=31

Lycaenidae

Poritiinae n*>?

Milctinae n=?

Curetinae n=?

Theclinae n-24

Lycaeninae n=24

Polyommatinae n=24

Nymphalidac

Acraeinae n=31

Argynninae n=31

Melitaeinae n=31

Nymphalinae n-31

Heliconiinae n=31

Limcnitidinac n=31

■Apaturinac n=31

■Charaxinae n=30

Danainae n=30

■ lthomiinae n=31

■ Tellervinae n-32

■ Satyrinae n=29

• Brassolinae n=29

•Morphini n—28

•Amathusini n=29

•Libytheinae n=31

Рис. 4. Преобразования хромосомных чисел в филогенезе дневных чешуекрылых (Rhopalocera). Указаны модальные (на концах ветвей) и вероятные анцестральные (в основании ветвей) числа. Филогения дана по работам Де Йонга с соавторами (de Jong et al., 1996) и Лухтанова (1991). 22

ся несомненной синапоморфией подсемейств Theclinae, Lycaeninae и Polyommatinae из семейства Lycaenidae, а п=29 (или п=28) вероятной синапоморфией подсемейств Satyrinae, Morphinae и Brassolinae из семейства Nymphalidae.

Хорошо известно, что число хромосом - это эволюционно подвижный признак, который часто подвержен межвидовой изменчивости. Чешуекрылые не являются исключением из этого правила. Более того, именно в отдельных родах отряда Lepidoptera найден самый большой среди всех многоклеточных животных разброс хромосомных чисел от n=5 (Freeman, 1969) до n=223 (de Lesse, 1970). Сохранение на этом фоне неизменного числа п=31 в филогенезе инфраотряда Ditrysia в целом и в большинстве подчиненных таксонов кажется удивительным и требует объяснения.

Варьирование хромосомных чисел вокруг модального п=31 также не случайно и имеет следующие особенности:

а) наибольшее, иногда почти все разнообразие чисел хромосом в отдельных семействах сконцентрировано в единичных родах или даже группах близких видов, в то время как в остальных родах числа стабильны.

б) распределение хромосомных чисел в таксонах не подчиняются нормальному закону и всегда резко асимметрично. Если уменьшенные по сравнению с п=31 числа (особенно п=30 и п=29) встречаются у чешуекрылых достаточно часто, то увеличенные (п=32 и другие) - как крайне редкое исключение. Ясно, что существуют запреты на возникновение и (или) фиксацию кариомов с определенными хромосомными числами

в) возникновение новых хромосомных чисел - это в большинстве случаев тупиковый путь эволюции в том смысле, что виды-носители измененных чисел не становятся родоначальниками новых филогенетических ветвей - групп родственных ввдов, родов и т. д. Анализ этих данных подтверждает закономерность, выявленную ранее у тлей (Aphidina) (Кузнецова, 1975, 1992), согласно которой у кариоти-пически аномальных видов затруднена дивергентная эволюция.

Обнаруженные особенности наводят на мысль, что существуют механизмы, поддерживающие в эволюции определенные хромосомные числа. Для этого феномена можно предложить следующее объяснение. Вероятно, число хромосом - это одно из внешних проявлений определенной внутренней организации ядерного аппарата. Если эта организация стабильна, то число хромосом сохраняется длительное время, передается видам-потомкам и становится признаком таксона высокого ранга (феномен постоянства хромосомного числа). Появление новых хромосомных чисел в большинстве случаев связано с нарушением исходной стабильности и не поддерживается в эволюции (феномены изменчивости хромосомных чисел в отдельных родах). Вероятно, измененное хромосомное число может сохраниться в филогенезе и стать типичным для группы видов, если его появление связано с переходом кариома к новой стабильной внутренней организации.

Таким образом, распределение хромосомных чисел у чешуекрылых косвенно свидетельствует о том, что кариом не представляет механическую совокупность отдельных хромосом, а является системой, которая эволюционирует как единое целое. Обоснованию этого положения посвящена глава 4.

Глава 4. Кариом чешуекрылых как целостная система

Является ли кариом целостной системой, в которой хромосомы занимают определенное положение по отношению друг к другу, а функциональная активность каждой хромосомы зависит от ее окружения? Или же кариом - это механическая сумма отдельных хромосом, в которой их количество определяет только число групп сцепления? Дискуссии на эту тему в настоящее время посвящены многочисленные публикации в ведущих журналах по генетике и цитологии (Nagele et al., 1998; Куницкая и др., 1998).

Многочисленные примеры неслучайного расположения хромосом на мета-фазных пластинках можно найти в цитологических работах, выполненных в первой половине 20 века на различных видах растений и животных с применением методики серийных срезов (см. сводки по цитологии растений - Левит-ский, 1976 - и животных - White, 1973). Современные методики распластывания хромосом разрушают нативную структуру метафазных пластинок. Тем не менее, даже на давленых препаратах можно находить явные следы упорядоченного расположения хромосом.

За последние годы упорядоченное положение хромосом на различных стадиях клеточного цикла показано для целого ряда организмов (Щапова, 1969; Беннет, 1986; Brinkley et al., 1986; Joffe et al., 1998; Nagelle et al., 1998), а в отдельных случаях оно не выявлялось даже при проведении специальных исследований (Solovei et al., 1998).

Мне не удалось найти ни одной публикации, посвященной проблеме целостности кариома у чешуекрылых, хотя элементы упорядоченного расположения бивалентов на метафазных пластинках можно увидеть на рисунках Де Лесса (de Lesse, 1960а, 1960b) в работах по кариосистематике бабочек. О наличии определенной организации, связывающей хромосомы чешуекрылых в единое целое, косвенно свидетельствуют результаты предыдущей главы. Все это побудило меня провести специальное исследование, целью которого было выяснить,

1) действительно ли существует упорядоченность во взаимном расположении хромосом у чешуекрылых,

2) если да, то какова структура этой упорядоченности, есть ли общие закономерности, определяющие положение тех или иных хромосом, какова степень фиксированности и свободы в положении отдельных хромосом,

3) каковы возможные механизмы этой упорядоченности,

4) является ли концепция целостности кариома необходимой для объяснения закономерностей преобразований хромосомных наборов в эволюции чешуекрылых.

4.1. Закономерности и возможные причины высокоупорядо-ченного расположения метафазных бивалентов в сперматоцитах голубянок рода Ацгой'шМт

Для ответа на первые три из поставленных выше вопросов были использованы два подхода:

1) Сравнительный анализ упорядоченного положения хромосом в ряду так-сономически близких видов, имеющих контрастные отличия в структурах ка-риомов. Идеальным объектом для такого анализа являются голубянки рода Agrodiaetus, хромосомные наборы которых необычайно вариабельны. Достоинством этих объектов является также то, что в их кариомах есть отдельные морфологически резко выделяющиеся хромосомы или группы хромосом, которые можно использовать в качестве надежных маркеров даже без их дифференциального окрашивания.

2) Анализ влияния хромосомных перестроек, изменяющих структуру кариома, на упорядоченность расположения бивалентов и хромосом в сперматоцитах Agrodiaetus $игака\ч.

Поскольку изучение трехмерных профазных ядер - чрезвычайно сложная техническая задача, основное внимание было уделено анализу двухмерных ин-тактных метафазных пластинок в сперматоцитах первого порядка.

4.1.1. Упорядоченное положение метафазных бивалентов в сперматоцитах первого порядка. Изученные виды по структуре кариома можно разбить на 6 групп.

1. Виды, в наборе которых содержится один очень крупный бивалент и большое число относительно мелких бивалентов: А. зигакоу1 (п=50) (рис. 5.6) и А. admetus (п=80). Структура метафазных пластинок у этих видов очень проста: мелкие биваленты образуют правильный круг, в геометрическом центре которого находится крупный бивалент. Описанная структура чрезвычайно устойчива, и не было отмечено ни одного случая отклонения от нее.

2. Группа представлена видом А. прагШ (п=90) (рис. 5.9), у которого в наборе содержится два крупных бивалента и большое число относительно мелких бивалентов. Первый бивалент по площади в 1,2-1,5 раза крупнее второго. Структура метафазных пластинок у А. прагШ также очень проста и устойчива: мелкие биваленты образуют правильный круг, в геометрическом центре которого находится крупный бивалент 1; бивалент 2 всегда находится рядом с бивалентом 1. Отклонений от этого расположения встречено не было.

3. В наборе содержится три-четыре крупных и большое число относительно мелких бивалентов. Первый бивалент по площади заметно крупнее второго. В эту группу попадают А. damone (п=67), А. iphigenides (п=67), А.}иЫта (п=67),

ф

А. aШvagans п-20

1 Ш • л Ш

А. тсгЬ^сЫскапиы п=23

/1. йатосЫь п-26

*

* /и* * * «

• *

А. нише п=34

5* * * • • •

» ^ « • «

/1. йа^^атсш п=40

б .»;»♦. л •

'•V •

А. вигакоу1 п=50

V:»1'/ *

* м •

А. йетауепШ п=71

8

• • ш * * •

•• »А * • V

А. ркуШз п—79

. • • * а _

А. прагШ

-90

п-

Юмкм

Рис. 5. Высоко упорядоченное положение метафазных бивалентов в первичных сперматоцитах голубянок рода АдгосНаеШ (Ьусает<1ае). Фотографии сделаны с интактных (не раздавленных) клеток.

А. рНуШ<кз (п=67) и А. рИуШя (п=79) (рис. 5.8). У этих видов мелкие биваленты также образуют правильный круг, центре которого находится самый крупный бивалент. Биваленты 2, 3 и 4 всегда находятся рядом с бивалентом 1, т.е. также в центральной части пластинки.

4. Четвертая группа представлена А. с!еттепсИ (рис. 5.7), в хромосомном наборе которого содержится четыре крупных и 63-67 мелких бивалентов. Два самых крупных бивалента имеют примерно одинаковые размеры. Бивалент 3 по размерам примерно в 2 раза мельче первого и второго. Бивалент 4 несколько мельче бивалента 3. Мелкие биваленты у А. йетачепсИ образуют правильный круг, в центре которого находятся крупные бивалента. Крупные биваленты по их положению теоретически могут образовывать большое число различных комбинаций, только одна из которых в действительности была найдена: расположение в виде четырехугольника, при этом биваленты 3 и 4 всегда находятся рядом. Изменчивость в положении крупных бивалентов состояла в том, что форма этого четырехугольника варьировала от прямоугольника до параллелограмма.

5. Пятая группа представлена А. йа^Штсия (5.5), хромосомы которого делятся натри размерные группы: мегахромосом (одна пара), макрохромосом (19 пар) и большое число микрохромосом. В первой метафазе мейоза эти хромосомы образуют идеально правильную концентрическую структуру. В ее центре находится мегабивалент, макробиваленты образуют два внутренних кольца, а микроэлементы (осталось неясным, все ли они являются бивалентами) составляют внешнее кольцо. Обнаруженная структура была абсолютно стабильной. При изучении 13 сперматоцист из 7 особей она была найдена во всех приблизительно 700 просмотренных клетках. Изменчивости было подвержено положение микроэлементов: в пределах внешнего кольца иногда они находились на равном расстоянии друг от друга, реже их положение было асимметричным.

6. Шестую группу составляют виды с относительно низким числом хромосом. В их наборах отсутствуют как особенно крупные, так и особенно мелкие биваленты, поэтому индивидуальное распознание бивалентов на стадии М1 затруднено или невозможно. К этой группе из изученных видов относятся: А. ексксф (п=13), А. iphigenia (п=14), А. altivagans (п=20) (рис. 5.1), А. а$егЬе1сЬсИапиз (п=23) (рис. 5.2), А. Шгасия (п=24), А. ¿атоскя (п=26) (рис. 5.3), А. ряеидасгЬ (п=29), А. етапетгз (п=32), А. тпае (п=34) (рис. 5.4) и А. ИиЬеШ (п=37). На стадии первой метафазы мейоза биваленты этих видов образуют правильную округлую метафазную пластинку. Более крупные биваленты всегда находятся в центральной части метафазной пластинки, а наиболее мелкие - на периферии. Было замечено, что у видов с большим числом хромосом (п от 29 до 37) метафазная пластинка имеет форму правильного круга. У низкохромосомных видов (п от 13 до 26) форма метафазной пластинки не столь правильна и подвержена изменчивости. Иногда она имеет вид овала, а не круга, края пластинки могут быть неровными.

4.1.2. Влияния хромосомных перестроек на упорядоченность расположения бивалентов и хромосом в сперматоцитах Agrodiaetus surakovi. При

изучении одной из особей Agrodiaetus surakovi были обнаружены 64 спермато-цита первого порядка, гетерозиготные по транслокации, затрагивающей три пары хромосом. В мутантной цисте все сперматоциты имели уменьшенное на 2 единицы число хромосомных элементов (п=48 вместо п=50), в том числе один шестичленный мультивалент. В отличие от крупного нормального бивалента, крупный мультивалент во всех 64 клетках находился ближе к краю метафазной пластинки (рис. 8.6).

У части особей Agrodiaetus surakovi были обнаружены хромосомные перестройки невыясненной цитологической природы (рис. 8.7). В кариотипах этих особей были обнаружены очень крупные, удлиненные и изогнутые элементы. Необычным было их положение на периферии метафазной пластинки несмотря на относительно крупные размеры.

4.1.3. Обсуждение. Полученные результаты подтверждают высокую степень упорядоченности в расположении бивалентов и хромосом в сперматоцитах рода Agrodiaetus (рис. 5), о наличии которой заставляют предполагать рисунки в работах Де Лесса (de Lesse, 1960а, 1960b). Кроме того, они выявляют следующие закономерности в упорядоченном расположении бивалентов в ин-тактных метафазных пластинках:

1) Принцип расположения бивалент подчиняется правилу: чем крупнее бивалент, тем ближе к центру метафазной пластинки он находится. Этот принцип приводит к тому, что у высокохромосомных видов с асимметричной структурой кариома, самый крупный бивалент всегда занимает положение в точном геометрическом центре метафазной пластинки. Не обнаружено ни одного отклонения от этого правила. Найденная закономерность диаметрально противоположна принципу расположения хромосом у большинства других животных, а также у растений (см. White, 1973; Левитский, 1976), у которых в центре метафазной пластики находятся мелкие хромосомы. Равные по размерам биваленты находятся на равном расстоянии от центра метафазной пластинки и образуют концентрические кольца (рис. 5.3 и 5.5).

2) Метафазная пластинка имеет вид более или менее правильного круга. "Правильность" этого круга прямо пропорциональна числу бивалентов в наборе. У высокохромосомных видов круг более правильный, очертания его стабильны в пределах вида (рис. 5.4-9). У низкохромосомных видов метафазная пластинка может иметь вид неправильного круга или овала, края ее иногда неровные, форма заметно варьирует от клетки к клетке (рис. 5.1-3).

Анализ этих результатов приводит к неожиданному выводу: правильность метафазной пластинки, которая выражается в степени ее округлости, симметричности и концентрическом положении хромосом не свидетельствуют о наличии межхромосомных связей. Можно предположить, что эти параметры являются следствием случайного распределения бивалентов в пределах метафаз-

ной пластинки, которое возникает в результате действия какой-то центростремительной силы, приложенной к хромосомам. Центростремительное движение хромосом во время клеточного деления не относится к числу общеизвестных феноменов. Согласно положениям современной цитологии в прометафазе, в анафазе А и анафазе В происходят только колебательные или направленные перемещения хромосом вдоль оси веретена (Gorbsky, 1992).

По-видимому, центростремительные перемещения бивалентов происходят еще до стадии метафазы - в период конгрессии. В этой фазе на каждый бивалент действует две силы АВ и АС, направленные в стороны полюсов деления (рис. 6). Поскольку эти силы действуют непараллельно, то результирующая AD будет направлена не только в сторону экватора, но и к центру метафазной пластинки. Таким образом, положение каждого конкретного бивалента на метафазной пластинке будет определяться силой AD и сопротивлением, которое бивалент оказывает движению. Предложенное объяснение может показаться механистическим. Однако если мы признаем, что в метафазе биваленты и хромосомы длительное время удерживаются в одной плоскости за счет действия двух одинаковых сил, направленных вдоль нитей веретена (а это факт, надежно установленный экспериментально - см. McNeill, Berns, 1981; Hays et al., 1982), то возникновение центростремительной силы кажется неизбежным.

Неясно, от чего зависит величина силы AD. Возможно, от числа кинето-хорных микротрубочек и, соответственно, от размеров кинетохора. Что касается величины сопротивления, то есть достаточно определенные данные, свидетельствующие, что оно прямо пропорционально размерам хромосом. Об этом говорят результаты Ноккалы (Nokkala, 1986), согласно которым в фазе стабилизации (stabilization process) из двух унивалентов тот находится ближе к полюсу, размеры которого меньше. Вероятно, что соотношение центростремительных сил и сил сопротивления, приложенных к хромосомам у Agrodiaetus, таково, что крупные биваленты всегда занимают позицию в центре метафазной пластинки, вытесняя мелкие элементы к периферии. У пресмыкающихся и птиц это соотношение другое и приводит к тому, что положение в центре всегда занимают мелкие хромосомы.

Возникает вопрос, объясняет ли предложенная модель все закономерности упорядоченного расположения хромосом у Agrodiaetus? Нет, не объясняет. Во-первых, непонятно, почему на метафазных пластинках биваленты никогда не соприкасаются друг с другом и разделены приблизительно равными интервалами. С позиций модели «центростремительной силы» они должны быть сближены в центральной части метафазной пластинки. Во-вторых, этой модели противоречит то, что у Agrodiaetus surakovi мультиваленты и аберрантные хромосомы, даже имеющие очень крупные размеры, в отличие от бивалентов занимают положение на периферии метафазной пластинки. В-третьих, модель «центростремительной силы» не объясняет стабильную ассоциацию между бивалентами 3 и 4 у Agrodiaetus demavendi.

Рис. 6. Схема разложения сил, действующих на бивалент А в прометафазе (на стадии конгрессии). АВ и АС - силы, направленные к полюсам. АБ -результирующая центростремительная сила.

мт - микротрубочки ов - оболочка веретена ц - центросома

Таким образом, можно заключить, что помимо центростремительной силы существуют другие факторы, определяющие высокоупорядоченное расположение бивалентов у видов рода Agrodiaetus на метафазных пластинках. По крайней мере в отношении Agrodiaetus demavertdi можно сказать, что этим фактором является непосредственное взаимодействие между двумя бивалентами. Наличие упорядоченной структуры и факт взаимодействия между бивалентами можно рассматривать как обоснование того, что кариом чешуекрылых является целостной системой, а не суммой отдельных хромосом.

4.2. Кариом чешуекрылых эволюционирует как единая система

В главе 3 был описан феномен сохранения числа хромосом п=31 в филогенезе дитризных чешуекрылых в целом и числа п=30 в филогенезе отдельных надсемейств. Стабильность хромосомных наборов чешуекрылых проявляется также и в том, что подавляющее большинство из них сохраняет в эволюции симметричную (по терминологии White, 1973) структуру кариома, когда все хромосомы в наборе составляют плавный размерный ряд.

Для объяснения этого феномена можно выдвинуть две гипотезы:

1) сохранение параметров кариома связано с тем, что в эволюции указанных групп бабочек вообще не происходило фиксации хромосомных перестроек,

2) в эволюции указанных групп бабочек происходила избирательная фиксация только тех перестроек, которые не приводили к изменению хромосомных чисел. Второе утверждение эквивалентно тому, что существует механизм, поддерживающий постоянное число хромосом и симметричную структуру кариома в условиях накопления структурных перестроек.

Для проверки этих гипотез необходимо провести сравнение структур ка-риомов у филогенетически отдаленных видов с одинаковыми хромосомными числами. Задачи такого типа в цитогенетике традиционно решаются при помощи методов дифференциального окрашивания хромосом. Для чешуекрылых методы дифференциальной окраски не разработаны. Другой способ сравнения структуры кариомов - кариологический анализ межвидовых гибридов - применим лишь для сравнения близких видов одного рода. Поэтому для решения этой проблемы были применены два других, менее точных способа сравнения структуры кариомов у видов с одинаковым числом хромосом: 1) метод попарного сравнения относительных размеров хромосом и 2) дисперсионный анализ относительных размеров хромосом (Лухтанов, Кузнецова, 1988).

Применение этих подходов позволило выявить достоверные отличия даже между видами, обладающими при равном числе хромосом, казалось бы, сходной структурой кариомов. Так, у трех видов рода Zygaena (п=30) кариомы различаются довольно значительно, при этом между Z. filipendulae и Z. carrtiolica различия минимальны (по 4 парам хромосом), а между Z filipendulae и Z dorlcnii они довольно велики и захватывают 17 пар хромосом. Еще более суще-

ственные различия были обнаружены при сравнении видов, относящихся к разным родам одного семейства (Tortrix и Archips, Mamestra и Acronictä).

Полученные результаты показали, что в филогенезе различных групп чешуекрылых при сохранении числа хромосом n=31 и п=30 фиксировались многочисленные структурные перестройки кариомов. Это заставляет однозначно отбросить гипотезу (1) из двух, предложенных в начале раздела. Таким образом, существует механизм, поддерживающий у чешуекрылых постоянное число хромосом и симметричную структуру кариома в условиях накопления структурных перестроек. Действие этого механизма может быть связано с тем что а) не возникают хромосомные мутации, меняющие хромосомные числа и б) такие хромосомные перестройки не фиксируются в эволюции. Первое кажется чрезвычайно маловероятным, потому что слияния и фрагментации хромосом - это наиболее распространенные типы хромосомных перестроек у чешуекрылых (Robinson, 1971; White, 1973, Traut, Clark, 1997). Поэтому только второе объяснение является пригодным.

Дифференциальное сохранение определенных типов хромосомных перестроек, приводящее к длительному поддержанию числа хромосом, свидетельствует о том, что кариом чешуекрылых эволюционирует как единое целое. Возможно, перестройки в отдельных хромосомах возникают независимо друг от друга. Однако вероятность их сохранения определяется не только их индивидуальной адаптивностью, но и степенью соответствия той устойчивой системе, которую представляет кариом в целом.

Глава 5. Быстрая реорганизация кариомов в процессах видообразования у чешуекрылых

Подавляющее большинство таксонов чешуекрылых демонстрирует поразительную кариотипическую стабильность, которая выражается в сохранении постоянного числа хромосом и неизменной структуры кариома в течение длительных этапов филогенеза, длящихся десятки миллионов лет. В то же время отдельные, явно молодые группы показывают взрывы кариотипической изменчивости. В ходе этих вспышек в течение очень короткого времени возникают целые веера хромосомных форм. Наиболее полно феномен быстрой кариотипической эволюции был исследован в наших работах у голубянок рода Agrodi-aetus и чехлоносок рода Coleophora.

5.1. Быстрая хромосомная эволюция в роде Agrodiaetus (Lycaenidae)

В роде Agrodiaetus были обнаружены 4 принципиально разных направления быстрой кариотипической эволюции (рис. 7). Голубянки в целом демонстрируют кариотипическую стабильность, и число хромосом п=24 при симметричной структуре кариома - является синапоморфией трех подсемейств Theclinae, Lycaeninae и Polyommatinae (см. рис. 4). Это, вероятно анцестральное число

11=19+7

п=13

* I *

У ' г

»

2 V * т *

\ „=24 / *

«

« «

о щ • « *

» • I

1 « •

» I 1 ♦

/ 5 *

/ ч

. »г». * ;

*

п=20+19+1 п=49+1+в

Рис. 7. Направления быстрой кариотипической эволюции в роде А^осИ-ас1т (Ъусаешс1ае):

0 - анцестральный кариом, А. Шгаст\

1 - увеличение числа хромосом, А. .чигакоу!',

2 - уменьшение числа хромосом, А. iphigenia;

3 - структурная реорганизация кариома, А. йатос1еа кгутаеш;

4 - дифференциация на мега-, макро- и микрохромосомы, А. dagestanicш.

обнаружено у А. turcicus (рис. 7.0). В пределах рода произошли следующие глубокие преобразования исходного кариома:

1) резкое увеличение числа хромосом, которое сопровождалось уменьшением их средних размеров. В результате возникли кариомы с высоким числом хромосом, в которых обязательно имеется от 1 до 3 крупных пар, заметно выделяющихся по размерам. К этому направлению из изученных видов относятся А. damon (п=45), А. surakovi (п=50) (рис. 5.6; 7,1; 8), А. transcaspicus (п=52), А. glaucias (п=54), А. damone (п=67), А. iphigenides (п=67), А. juldusa (п=67), А. phylltdes (п=67), А. demavendi (п=67-71) (рис. 5.7), А. phyllis (п=79) (рис. 5.8), А. admetus (п=80) и А. ripartii (п=90) (рис. 5.9);

2) резкое уменьшение числа хромосом, которое сопровождалось увеличением их средних размеров. В результате возникли кариомы с низкими числами хромосом. Хромосомы по размерам составляют плавный ряд. Это направление представляют А. erschoffi (п=13), А. iphigenia (п=13-14) (рис. 7.2), А. ciscaucasicus (п=16), А. суапе (п=18) и А. poseidon (п=19);

3) принципиальная структурная перестройка всего кариома при незначительном изменении числа хромосом. Возникли резко асимметричный кариомы, такие как у Л. damocles krymaeus (рис. 5.3; 7.3) и А. aserbeidschanus (рис. 5.2);.

4) дифференциация хромосом на мега-, макро- и микрохромосомы (А. dagestanicus: (рис. 5.5; 7.4).

5.2. Высокая частота спонтанных хромосомных мутаций как возможный движущий фактор быстрой кариотипической эволюции в роде Agrodiaetus

Механизмы быстрой кариотипической эволюции у голубянок рода Agrodiaetus не известны. Однако анализ внутривидовой хромосомной изменчивости позволяет предложить гипотезу о том, что ведущая роль в этом процессе принадлежит мутационному давлению, высокий уровень которого может определять или даже канализировать направления кариотипической эволюции. Наиболее детально хромосомные мутации были проанализированы у А. surakovi.

Кариотип, который является базовым для этого вида, включает на стадии первой метафазы мейоза 50 бивалентов (рис. 5.6; 8.1). Один из бивалентов очень крупный и резко выделяется по размерам. Размеры остальных 49 бивалентов варьируют от мелких до средних. В кариотипах некоторых особей кроме того была найдена дополнительная B-хромосома (рис. 8.8).

Наряду с этим у рассмотренных выше особей было найдено несколько типов хромосомных мутаций, которые возникали на разных этапах сперматогенеза и поэтому встречались не во всех половых клетках, а только в отдельных сперматоцистах. Один из типов этих хромосомных мутаций - это транслокация между двумя негомологичными хромосомами. В сперматоцитах первого порядка, гетерозиготных по такой транслокации (рис. 8.2-4), насчитывалось 49 хромосомных элементов: 48 нормальных бивалентов и один тетравалент. По-

I ф

•в

1 Ч V

крупный Ф 9 t бивалент * •

л"

^ крупный «3 бивалент

1 ' »л1

♦t • 'Ч'

^ * хтстравалент ф (кольцо)

мультивалент щ 0 у (зигзаг)

f J* v

* ДЧ

крупный бивалент

8

VB

f

тетравалент (зигзаг)

*# »

\ •

» - • f •

крупный # I бивалент л f

• »♦♦ t

»

крупный^ бивалент тегравалент

| ^ (цепочка)

крупный бивалент

мультивалент 1 (кольцо)

10 мкм

Рис. 8. Нормальные (1, 8) и мугантные (2-7) кариотипы Agrodiaetus surakovi: 1) нормальный кариотип (MI), п=50; 2-4) сперматоциты (Ml), гетерозиготные по транслокации, затрагивающей две пары негомологичных хромосом; 5-6) сперматоциты (Ml), гетерозиготные по транслокации, затрагивающей три пары негомологичных хромосом; 7) множественная хромосомная мутация в сперматоците (Mil), аберрантные хромосомы отмечены стрелками, В- В-хромосома; 8) нормальный кариотип (Mil), п=5(Н-В.

следний имел крупные размеры и легко узнавался во всех клетках данной сперматоцисты. На стадии Ml он чаще всего имел конфигурацию восьмерки (зигзага) (рис. 8.2), реже замкнутого кольца (рис. 8.3) или цепочки (рис. 8.4).

Другой тип хромосомных мутаций у A. surakovi - транслокация, затрагивающая три пары хромосом. У гетерозигот по этой перестройке (рис. 8.5-6) в сперматоцитах первого порядка насчитывалось 48 хромосомных элементов, в том числе один шестичленный мультивалент. Этот мультивалент имел размеры, сравнимые или даже превосходящие таковые у самого крупного бивалента. Его конфигурация была различна в разных клетках. Он имел вид зигзага (рис.8.5), замкнутого кольца (рис. 8.6) или цепочки.

У 14 особей из 30 изученных в отдельных сперматоцистах на стадии второй метафазы были обнаружены множественные хромосомные мутации, цитологическая природа которых осталась невыясненной. У этих особей в мутантных сперматоцитах второго порядка найдены необычные по размерам, форме и расположению элементы: очень крупные, удлиненные и изогнутые (рис. 8.7). Число необычных элементов варьировало от 0 до 7, а общее число хромосомных элементов достигало 52. Такие сперматоциты отличались чрезвычайно резко от типичных, найденных в других цистах тех же особей (рис. 8.8). Вероятно, необычные сперматоциты II, с изменчивым числом хромосом и их необычной формой, являются продуктами неправильного расхождения, может быть даже разрывов хромосом на стадии первой анафазы. Такие нарушения и разрывы могут вызывать различные хромосомные перестройки, не только межхромосомные, но и внутрихромосомные.

Результаты, полученные при изучении A. surakovi, представляются интересными в двух отношениях. Во-первых, они свидетельствует о возможности возникновения спонтанных множественных хромосомных перестроек, т. е. нескольких хромосомных перестроек сразу в одной клетке. Вопрос о возможности такого процесса и его значение в эволюции кариомов активно обсуждается в современной литературе (King, 1993). Во-вторых, частота хромосомных мутаций была очень велика. Аберрантные сперматоциты были встречены в 17 особях из 30 изученных. Общая доля гамет, несущих различимые в световой микроскоп хромосомные мутации, составила 14 %. Это на 2-3 порядка выше, чем обычно обнаруживается при изучении хромосомных мутаций в природных популяциях большинства животных и растений.

Известны еще две группы примеров, демонстрирующих сходный высокий уровень хромосомных аберраций. Во-первых, это перестройки, вызванные мутагенными факторами (Вархаловска-Слива, Марыанска-Надаховска, 1993; Bella et al., 1997). Во-вторых, это мутации, вызванные массовыми перемещениями в геноме мобильных диспергированных генов, т.е. так называемыми транспозиционными взрывами. Такие транспозиционные взрывы наблюдались в лабораторных экспериментах при гибридизации определенных линий у дрозофилы (Naveira, Fontdevila, 1985), хирономид (ffigele, 1984) и прямокрылых (Shaw et al., 1983). В отличие от этих примеров в роде Agrodiaetus были изучены ин-

тактные природные популяции, в которых процессы гибридизации или воздействия внешних мутагенных факторов, по-видимому, отсутствовали.

5.3. Полиплоидия у бисексуальных видов чешуекрылых как возможный механизм быстрой кариотипической эволюции

Другой механизм быстрой кариотипической эволюции предполагается для чехлоносок Coleophora. Особенности структуры кариомов высокохромосомных видов этого рода - крупные размеры хромосом у высокохромосомных видов, удвоенное число хромосом и крупные размеры метафазных пластинок -делают наиболее правдоподобной гипотезу об их аллополиплоидном происхождении с последующим процессом диплоидизации кариома.

Глава 6. Значение кариологических данных для разделения близких видов чешуекрылых 6.1. Изменчивость и таксономическая значимость признаков кариома в роде Agrodiaetus

Значимость кариологических признаков для разделения близких видов животных и растений считается общепризнанной. Тем не менее возможность применения их в систематике чешуекрылых требует особого обоснования. Это связано с распространенным в литературе мнением о необычайно высоком уровне внутривидовой кариотипической изменчивости у бабочек, выражающейся в варьировании хромосомных чисел.

Анализ первоисточников и перепроверка некоторых приводимых в литературе фактов позволили мне показать, что в основе этого мнения лежат разного рода ошибки. Наиболее распространенный тип этих ошибок - неточное определение числа хромосомных элементов. Другой тип ошибок связан с неправильной идентификацией симпатрично обитающих видов-двойников. Так, согласно Де Лессу (de Lesse, 1963) у Agrodiaetus ninae число хромосом варьирует от п=33 до п=37. Совместно с А.В.Данченко нами было показано, что в действительности Де Лесс имел дело с двумя видами: A. ninae (п=33-34) и A. huberti (п=35-37).

Мнение о чрезвычайно высоком уровне кариотипической изменчивости у чешуекрылых в значительной степени основано на следующих двух примерах, которые многократно цитировались в различных сводках (Robinson, 1971; Wolf, 1994).

1) У голубянки Agrodiaetus transcaspicus хромосомные числа варьируют от 16 до 53 (de Lesse, 1963).

¿_ 4) У голубянки A. morgani найдены хромосомные числа от 25 до 62 (de Lesse, 1961с).

Мне представилась возможность, получив уникальный материал из Турции, Армении, Азербайджана и Туркмении, переисследовать кариомы А.

transcaspicus и A. morgani (Lukhtanov, 1989; Lukhtanov et al., 1998). Полученные результаты позволили предложить гипотезу, согласно которой таксон А. transcaspicus sensu lato является сборным и состоит, как минимум, из трех видов: A. transcaspicus (n=52-53), A. rtinae (п-33-34) и A. aserbeidschanus (п=16-22). Кроме того не исключалось, что вид A. aserbeidschanus (п=16-22) также является сборным (Lukhtanov, 1989). Последующие исследования, независимо проведенные немецкими и французскими энтомологами в Турции, полностью подтвердили эти предположения. Было обнаружено, что A. aserbeidschanus sensu lato (п=16-22) включает три симпатричных вида: A. aserbeidschanus s. s. (n=22), A. poseidon (n=19-20) и A. elbursicus (n=16-18) (Carbonell, 1993). Была также выявлена зона симпатрии между A. rtinae и A. aserbeidschanus, что подтвердило их неконспецифичность (Hesselbarth et al., 1995). Таким образом, таксон transcaspicus sensu lato является сложным конгломератом, состоящим из 4 морфологически чрезвычайно сходных видов, обитающих симпатрично в Закавказье и Турции (aserbeidschanus s. s. n=22, poseidon n= 19-20, elbursicus n=16-18 и ninae n=33-34), и географического изолята transcaspicus sensu stricto (n=52-53), обитающего на Копетдаге. В свете этих данных вряд ли приходится сомневаться в том, что размах чисел от п=16 до п=53 характеризует не внутривидовую, а межвидовую изменчивость.

При изучении кариомов голубянок группы А. morgani выяснилось, что в районе озера Ван в Турции симпатрично встречаются два таксона: A. antidolus (п=40-42) и A. kurdistanicus (n=58-62) (Lukhtanov et al., 1998). Случаи гибридизации между ними не были обнаружены. Таким образом, высокая изменчивость хромосомных чисел в группе A. morgani также является межвидовой.

В реальности внутривидовая кариотипическая изменчивость у чешуекрылых встречается довольно редко и ограничена узкими рамками. Если речь идет о хромосомных числах, то в роде Agrodiaetus они варьируют в пределах 1-4 единиц. Несмотря на наличие нумерической изменчивости, виды рода Agrodiaetus имеют основные параметры кариома (базовое число хромосом и структуру кариома), которые стабильны и не подвержены внутрипопуляционному полиморфизму. Дополнительные параметры кариома, например, число В-хромосом, могут варьировать, но это не влияет на основные параметры. Основные параметры могут быть подвержены мутационной изменчивости, однако мутантные кариотипы не получают широкого распространения в популяциях.

6.2. Виды-двойники среди кавказских и сибирских чернушек группы Erebia tyndarus (Nymphalidae: Satyrinae)

Группа чернушек, близких к Е. tyndarus, состоит из ряда морфологически трудно различимых подвидов и видов-двойников (de Lesse, 1960; Lorkovic, 1990). Особенно большие трудности возникают в систематике форм с Кавказа и Южной Сибири. Проведенный анализ признаков кариома (Лухтанов, 1987) подтвердил, что несмотря на чрезвычайное внешнее фенотипическое сходство

кавказские и сибирские представители группы Е. tyndarus относятся к трем разным видам: Е. calilas, Е. iranica и Е, graucasica. Весьма показательно, что каждый из этих видов имеет собственную систему внутривидовой изменчивости и состоит из нескольких географических подвидов. Несмотря на наличие этой географической изменчивости, каждый вид на протяжении своего ареала сохраняет характерные для него черты морфологии, кариологические особенности и биологию. Таким образом, эти виды, дифференцируясь в пространстве, сохраняют видовую специфику своих кариомов.

6.3. Виды-двойники в группе Dicallomera fascelina (Lymantriidae)

Считается, что D. fascelina - полиморфный, широко распространенный вид, ареал которого охватывает большую часть Палеарктики. С этой территории описан ряд подвидов и форм D. fascelina, которые отличаются друг от друга в основном степенью меланизации и степенью редукции крылового рисунка. Указанные признаки у волнянок имеют низкий таксономический вес вследствие того, что они подвержены большой фенотипической изменчивости, а их выраженность зависит от воздействия экологических факторов (Кожанчиков, 1950). Поэтому точку зрения о конспецифичности всех форм, относимых к D. fascelina, можно было считать наиболее убедительной.

Нами были изучены кариомы двух удаленных друг от друга и географически разобщенных форм: с Северного Кавказа и с о-ва Врангеля. У бабочек с о-ва Врангеля на стадии MI мейоза было обнаружено 20 бивалентов, а на стадии МИ - 20 хромосом. Характерная особенность кариома - наличие в наборе пяти крупных элементов, заметно выделяющихся по размерам. У D. fascelina с Северного Кавказа число хромосом в гаплоидном наборе равно 16, все хромосомы в наборе составляют плавный размерный ряд.

Кариотипически популяция с о-ва Врангеля резко отличается от северокавказской. Тем не менее морфологическое сходство изученных бабочек казалось настолько сильным, что возникал вопрос: с чем мы имеем дело: с аллопатриче-скими видами двойниками или хромосомными формами одного вида. Был проведен анализ морфологии бабочек и преимагинальных гусениц. При этом были обнаружены различия в строении гениталий самок и хетотаксии гусениц между всеми материковыми популяциями с одной стороны и популяцией с острова Врангеля с другой стороны.

На основании обнаруженных отличий популяция с о-ва Врангеля была описана нами в качестве отдельного вида D. kusnezovi Lukhtanov et Khruliova, 1989 (Лухтанов, Хрулева, 1989). Таким образом, получены доказательства, что D. fascelina в том объеме, в каком он обычно рассматривался раньше, является надвидовым комплексом, состоящим по крайней мере из двух видов. Такого рода комплексы близких видов, хорошо различимых по кариомам, но относительно слабо дифференцированных морфологически, в семействе Lymantriidae ранее известны не были.

6.4. Кариологическое и морфологическое обоснование видовой самостоятельности Euproctis kogistana (Lymantriidae)

Считается, что златогузка Е. chrysorrhoea - широко распространенный за-паднопалеарктический вид. Наряду с сибирским и непарным шелкопрядами златогузка реально является одним из серьезнейших вредителей лесного и сельского хозяйства России. Как вид, имеющий серьезное экономическое значение, златогузка хорошо изучена, тем не менее вопрос о неконспецифичности разных популяций этого вида никем не поднимался.

В июне 1989 года в Таджикистане мной была собрана большая серия гусениц златогузки. Цитогенетический анализ собранного материала показал, что в кариоме всех изученных особей на стадии Ml имеется 22 бивалента (Lukhtanov et al., 1994). Из литературы было известно, что Euproctis chrysorrhoea из Испании имеет совершенно другое число хромосом: n=14 (Ortiz, Templado, 1973). Эта находка сразу же заставила высказать предположение, что среднеазиатские бабочки относятся к новому виду. Описать его однако не представлялось возможным, так как вид Е. chrysorrhoea был установлен из средней Европы, а не из Испании, а кариотип среднеевропейских златогузок не изучался. Таким образом, нельзя было исключить, что среднеевропейские и среднеазиатские популяции конспецифичны и имеют одинаковый кариом, а испанские бабочки относятся к особому виду. В связи с этим возникла необходимость кариологи-ческого изучения среднеевропейских популяций. С этой целью были исследованы гусеницы из Германии. Число хромосом у последних однозначно определялось как п=14 и, следовательно, было полностью идентично с таковым в испанской популяции. Не было найдено никаких отличий от испанских бабочек и в структуре кариома. Все это доказывало конспецифичность среднеевропейских и испанских популяций и их отличие от среднеазитского вида, который был описан как Euproctis kogistana (Lukhtanov et al., 1994).

При подготовке описания были изучены традиционные морфологические признаки (крыловой рисунок, гениталии самцов и самок бабочек из разных частей ареала. Было установлено, что все популяции можно разделить на 4 группы: 1) популяции из Испании, 2) популяции из Северной Африки, 3) популяции из Европы от Голландии на западе до Греции, Предкавказья и Восточной Европы включительно, 4) популяции из Малой Азии и Закавказья, 5) популяции из Средней Азии. Эти группы несколько отличались друг от друга по степени развития черных пятен на крыльях и были практически одинаковы по строению гениталий. Однако четкие различия между Е. kogistana из Средней Азии с одной стороны и всеми другими группами популяций с другой стороны были найдены в строении антенн у самцов. Во-первых, принципиально различной была тонкая структура поверхности антенн, что можно было обнаружить при помощи сканирующего электронного микроскопа. Во-вторых, две концевые сенсиллы на внутренней поверхности антенн у Е. kogistana имели неравную длину, в то время как у других популяций они почти одинаковы.

Совокупность всех найденных отличий мы рассматриваем как надежное обоснование видовой самостоятельности двух аллопатричных видов: Е. сИгу.юггЬоеа и Е. kogistcma,

6.5. Заключение

Хотя реальность биологических видов почти никем не подвергается сомнению, установить их объемы и границы на практике очень трудно. Ни для кого не секрет, что «виды», которые описывают систематики, нередко оказываются синонимами, понижаются в ранге до подвидов или объединяются с другими «видами». Таким образом, таксономический вид далеко не всегда эквивалентен биологическому. Сложность ситуации усугубляет то, что до сих пор не создана общая теория видообразования и нет даже общепринятого определения вида.

Одно из положений эволюционной теории, которое полностью выдержало испытание временем, - это концепция политипического вида. Согласно этой концепции, вид, являясь целостной генетической системой, в то же время имеет сложную пространственную структуру и состоит из генетически неоднородных и морфологически дифференцированных популяций. С этой точки зрения важность анализа внутривидовой изменчивости с целью выяснения закономерностей внутренней организации и границ видов очевидна. Сравнение уровня внутри- и межвидовой изменчивости - один из наиболее эффективных и широко применяемых приемов, позволяющих делать правдоподобные предположения о взаимоотношениях между таксонами. Однако изучение внутривидовой изменчивости наталкивается на ряд сложностей. Главная из них состоит в том, что такого рода исследования имеют смысл, если мы уверены, что анализируемая единица действительно является видом, а не его частью или тем более комплексом нескольких видов.

Выходом из создавшейся ситуации является изучение на первом этапе не внутривидовой изменчивости как таковой, а анализ изменчивости в рядах близких форм, включая близкие виды. На его основании выдвигаются одна или несколько таксономических гипотез об объемах и границах изученных видов и указываются способы их проверки. На втором этапе исследования в ходе проверки таксономических гипотез объем и границы видов уточняются, и делаются выводы о внутривидовой структуре, которые хотя и не абсолютны, однако доступны дальнейшей экспериментальной проверке.

Цитогенетические особенности являются морфологическими признаками и, как любые другие структуры, могут быть использованы для проверки таксономических гипотез. В этом смысле они не лучше и не хуже любых других признаков. Есть однако специальные области, в которых таксономическая значимость кариологических признаков резко повышается. В предыдущей главе был рассмотрен феномен быстрой кариотипической эволюции, сопровождающий (или даже вызывающий) видообразование в некоторых группах бабочек. Понятно, что систематика видовых комплексов, претерпевших процессы кариотипической мегаэволюции или полиплоидизации, не может быть разработана

без исследования кариомов. Анализ кариомов в родах Agrodiaetus, БкаПотега и ЕиргосШ ь рамках данной главы стал той отправной точкой, которая позволила выдвинуть четко сформулированные таксономические гипотезы о структурах видовых комплексов в группах А. Ь-атсавркия, А. птае-киЬегй, А. то^аШ, £>. /авсеИпа и Е. скгуяоггЬоеа. Последующее изучение тонких деталей морфологического строения имаго и преимагинальных стадий, анализ экологии, фенологии, а в некоторых случаях и поведения бабочек в зонах симпатрии позволили провести проверку этих гипотез и описать новые виды.

Признаки кариома можно эффективно использовать и для решения проблем филогении и систематики высших таксонов насекомых (Кузнецова, 1985). Это положение вполне приложимо и к чешуекрылым, что подтверждают наши результаты, более подробно изложенные в главах 2 и 3 данной работы.

Выводы

1. Исходный план организации кариома надотряда АтрЫе5тепор1ега включал следующие основные цитогенетические особенности:

(1) уникальный, лепидоптероидный тип кинетической организации хромосом,

(2) ахиазматический мейоз у самок,

(3) гетерогаметность женского пола,

(4) относительно высокие хромосомные числа (п=13-25),

(5) удлиненную форма головки сперматозоида,

(6) хромосомный механизм определения пола 70,

(7) мелкие размеры пучков сперматозоидов,

(9) нормальный (не дихотомический) мейоз у самцов и отсутствие апирен-ной спермы,

(10) отсутствие гетеропикнозиса половых хромосом в интерфазных ядрах и, соответственно, отсутствие полового хроматина.

Из этих признаков первые три являются синапоморфиями ТпсЬор1ега и Ьер1с1ор1ега.

2. В филогенезе АшрЫеБшепор1ега исходный план организации кариома подвергся глубоким преобразованиям. Возникшие при этом новые структуры или состояния признаков являются апоморфиями отряда Ьер1ёор1ега или подчинённых таксонов внутри него. Апоморфией Ьер1ёор1ега является высокое исходное число хромосом п=31 в гаплоидном наборе. У представителей клады №о1ер1<1ор1ега выявлены три вероятные цитогенетические синапоморфии: игловидная форма головки сперматозоида, преобладающий ZW хромосомный механизм определения женского пола и наличие 256 сперматозоидов в каждом семенном пучке, Аутапоморфией Ехоропа являются промежуточные между низшими чешуекрылыми (2е1щ1ор1ега и БаспопурЬа) и Не1егопеига размеры

пучка сперматозоидов. Синапоморфией всех представителей клады Не1егопеига является уникальный дихотомический мейоз, приводящий к появлению двух типов спермиев. В кладе ТЪсЬепта+ХИй^а АУ-хромосома у самок образует в интерфазных ядрах гетеропикнотическое тельце (половой хроматин). Этот признак можно рассматривать как синапоморфию "ЛзсИепта и ОИгу51а, поскольку в других группах он не обнаружен.

3. Анцестральное для ОкгуБШ число хромосом п=31 сохраняется и мозаично встречается в различных надсемействах этого инфраотряда, как наиболее примитивных, так и в наиболее продвинутых. К числу этих надсемейств относятся РвусЫ^еа, Уропотеи^лска, гу£аепо!(1еа, Со55о1(1еа, Sessioidea, Руга1о1деа, Geoшetro¡dea, Noctuoidea, М^ойопК^еа, Lasiocaшpoidea, ВотЬум^еа, Невре-rioidea и Papiliono¡dea.

Модальным и вероятно анцестральным для надсемейств Tineoidea, СгасП-larioidea, Gelechioidea и Tortr¡coidea является число п=30. Возможно, п=30 возникало в разных группах чешуекрылых независимо на базе анцестрального п=31 за счет слияний различных пар хромосом. Особенностью листоверток (Tortricoidea) является то, что кариом п=30 возник вследствие слияния половой хромосомы Ъ с одной из аутосом (механизм пео2пео\У). У бражников (Sphmgoidea) явно преобладает п=29, а числа п=31 и п=30 не найдены.

4. У дневных чешуекрылых анцестральное число п=31 сохраняется в качестве исходного для семейств НеврегМае, Pieridae, ЫутрЬаМае и Riodinidae. Наиболее глубоким изменениям исходное число подверглось в семействах Ркпёае, Nymphalidae и ЬусаепИае, в которых появляются роды, трибы и подсемейства с новыми хромосомными числами. Основное направление этих изменений - уменьшение чисел хромосом, а их вероятный цитологический механизм - слияние хромосом. Увеличение числа хромосом по сравнению с анцестральным в эволюции Ююра1осега происходило реже и имело существенно меньшее значение для филогении дневных бабочек. Почти всегда увеличенные хромосомные числа характерны только для отдельных видов и только в крайне редких случаях - для групп родственных видов или родов.

5. Сохранения плезиоморфного состояния признака «число хромосом» не дает дополнительной информации для обсуждения проблем происхождения ОКо^а и филогенетических взаимоотношений между надсемействами. В то же время анализ хромосомных чисел позволяет поддержать представление о большей примитивности тинеоидных чешуекрылых по сравнению с гелехио-идными, а также таксономические гипотезы о монофилии триб ТегасоНт, Р1епт, Егоппш и Appiadiш (Pieridae), филогенетических ветвей НеИсотт+Ыегис1а+РЫ1ае1кг1а (ЫутрЬаШае: НеИсоппт) и СЪагахе^Ро1уига (ЫутрЬаШае: СИгахтае). Одинаковое исходное число хромосом (п=24) является несомненной синапоморфией подсемейств ТЪесПпае, Ьусаептае и РсЯуоттаНпае из семейства Ьусает^ае, а п=29 (или п=28) вероятной синапоморфией подсемейств 8а1уппае, МогрЫпае и ВгаэзоПпае из семейства ЫутрИаМае.

6. Наибольшее, иногда почти все разнообразие чисел хромосом в отдельных семействах сконцентрировано в единичных родах или даже группах близких видов, в то время как в остальных родах числа стабильны.

7. В надсемействах Ок^а числа хромосом подвержены межвидовой изменчивости. При этом распределение хромосомных чисел в пределах надсемейств не подчиняется нормальному закону и всегда резко асимметрично. Если числа, уменьшенные по сравнению с модальным для каждого данного надсемейства, встречаются достаточно часто, то увеличенные числа обнаруживаются как 1файне редкое исключение. Ясно, что существуют запреты на возникновение и (или) фиксацию кариомов с определенными хромосомными числами.

8. Возникновение новых хромосомных чисел - это в большинстве случаев тупиковый путь эволюции чешуекрылых в том смысле, что виды-носители измененных чисел не становятся родоначальниками новых филогенетических ветвей -групп родственных видов, родов, триб и т. д. Случаи, когда измененные числа являются признаками таксонов надвидового ранга, относительно немногочисленны.

9. Расположение бивалентов на метафазных пластинках в первичных спер-матоцитах видов рода Agrodiaetus высоко упорядочено и подчиняется правилу „чем крупнее бивалент, тем ближе к центру метафазной пластинки он находится". Этот приводит к тому, что у высокохромосомных видов с асимметричной структурой кариома, самый крупный бивалент всегда занимает положение в точном геометрическом центре метафазной пластинки. Равные по размерам биваленты находятся на равном расстоянии от центра метафазной пластинки и образуют концентрические кольца. Обнаруженный порядок отчасти является следствием влияния центростремительной силы, действующей на биваленты в период конгрессии. Помимо центростремительной силы существуют другие факторы, определяющие положение на метафазных пластинках. По крайней мере в отношении Agrodiaetus demavendi можно сказать, что этим фактором является непосредственное взаимодействие между бивалентами 3 и 4. Наличие упорядоченной структуры и факт взаимодействия между бивалентами можно рассматривать как обоснование того, что кариом чешуекрылых является целостной системой, а не механической суммой отдельных хромосом.

10. В эволюции Ьер1<1ор1ега действует механизм, поддерживающий число хромосом п=31 и симметричную структуру кариома в условиях постоянного накопления структурных перестроек. Вероятно, перестройки в отдельных хромосомах возникают независимо друг от друга. Однако вероятность их сохранения определяется не только их индивидуальной адаптивностью, но и степенью соответствия той устойчивой системе, которую представляет кариом в целом.

11. В то время как большинство таксонов чешуекрылых демонстрирует поразительную кариотипическую стабильность, отдельные явно молодые группы показывают взрывы кариотипической изменчивости, в ходе которых в течение короткого времени возникают целые веера хромосомных форм. В роде Agrodi-аеШ существуют 4 направления такой быстрой кариотипической эволюции: 1)

резкое увеличение числа хромосом по сравнению с анцестральным п=24, что сопровождается уменьшением их средних размеров, 2) резкое уменьшение числа хромосом, которое сопровождается увеличением их средних размеров, 3) принципиальная структурная перестройка всего кариома при незначительном изменении числа хромосом, 4) дифференциация хромосом на мега-, макро- и микрохромосомы.

12. В природной популяции А^осНаеШя яигакоУ1 в клетках полового пути с высокой частотой возникают хромосомные мутации: реципроктные транслокации и разрывы хромосом. Не исключено, что высокое мутационное давление является одним из существенных факторов, определяющих или даже канализирующих процессы быстрой кариотипической эволюции в роде А^осНаеШэ.

13. Быстрая хромосомная эволюция в роде Сокоркога сопровождалась неточным удвоением числа хромосом, сохранением средних размеров хромосом и увеличением размеров сперматоцитов. Наиболее вероятным механизмом этого процесса является аллополиплоидия.

14. Распространенное в литературе мнение о необычайно широкой внутривидовой изменчивости чисел хромосом у чешуекрылых в значительной степени основано на ошибках при изучении кариомов, на неправильной идентификации аллопатричных или симпатричных видов, а также на некорректной интерпретации кариологических данных. В действительности, размах этой изменчивости невелик, а каждый вид имеет основные параметры кариома (базовое число хромосом и структуру кариома), которые стабильны и сохраняются на протяжении всего ареала.

15. Стабильность и специфичность параметров кариома позволяют использовать их для решения вопросов систематики и филогении чешуекрылых. При этом они наиболее эффективны при разработке систем на уровне подотрядов, а также при разделении видов-двойников. Признаки кариома можно использовать для обоснования филогенетических гипотез и для выяснения вопросов относительной примитивности или продвинутое™ таксонов, для диагностики видов и выявления случаев гибридизации. В комплексах, претерпевших процессы быстрой кариотипической эволюции, признаки кариома могут быть единственным или, по крайней мере, основным объективным критерием для выделения и диагностики таксонов.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лухтанов В. А. Систематика и филогения кавказских и сибирских форм фуппы ЕгеЫа ¡упйагиъ (Lep¡doptera, 8а1упёае) с учетом кариологических данных// Зоол. журн. 1987. Т. 66, вып. 5. С. 692-700.

2. Лухтанов В. А. Использование кариологических данных для решения вопросов систематики и филогении дневных чешуекрылых // Булавоусыс чешуекрылые СССР. Новосибирск. 1987. С. 68-70.

3. Лухтанов В. А., Кузнецова В. Г. Некоторые закономерности эволюции кариотипов у чешуекрылых (Insecta, Lepidoptera) // V съезд Всесоюзного общества генетиков и селекционеров. Тез. докл. Ч. 1. Москва, 1987. С. 164-165.

4. Лухтанов В. А., Кузнецова В. Г. Структура кариотипа у высших чешуекрылых (Lepidoptera, Papilionomorpha) // Энтомол. обозр. 1988. Т. 67, вып. 3. С. 480-495.

5. Кузнецова В. Г., Лухтанов В. А., Кириллова В. И., Королева Ю. И. Ка-риотипы насекомых - вредителей сельскохозяйственных культур // Цитология и генетика. 1988. Т. 22, вып. 4. С. 56-60.

6. Saitoh К., Lukhtanov V. A. Some chromosomal aspects of Brenthis hecate [Denis & SchiffermQller], 1775 from South Altai, USSR (Lepidoptera, Nymphalidae) //Nota lepidopterologica. 1988. Vol. 11, N 3. P. 234-236.

7. Лухтанов B.A., Хрулева О. А. Морфологическое и кариологическое обоснование видовой самостоятельности Dicallomera kusnezovi sp. п. (Lepidoptera, Lymantriidae) с острова Врангеля // Зоол. журн. 1989. Т. 68, вып. 5. С. 41-48.

8. Лухтанов В, А., Кузнецова В. Г. Анализ кариотипической изменчивости чешуекрылых группы Melitaea didyma с обоснованием видовой самостоятельности М. latonigena (Lepidoptera, Nymphalidae) // Зоол. журн. 1989. Т. 68, вып. 12. С. 38-46.

9. Lukhtanov V. A. Karyotypes of some blue butterflies of the Agrodiaetus species groups (Lepidoptera, Lycaenidae) // Ann. Ent. Fenn. 1989. Vol. 55. P. 137144.

10. Лухтанов В. А. Новые таксоны сатирид и голубянок (Lepidoptera, Satyridae, Lycaenidae) из Средней Азии и Казахстана. // Вестник зоологии. 1990. N6, с. 13-23.

11. Лухтанов В. А., Пуплясене Ю. В. Кариотип дубовой одноцветной минирующей моли Tischeria ekebiadella (Lepidoptera, Nepticulomorpha, Tischeriidae) II Успехи энтомологии в СССР: насекомые перепончатокрылые и чешуекрылые. Мат. X съезда Всес. энтомол. общ. 11-15 сентября 1989 г. Ленинград. 1990. С. 181-182.

12. Лухтанов В. А. Эволюция кариотипа и система высших таксонов белянок (Lepidoptera, Pieridae) мировой фауны // Энтомол. обозр. 1991. Т. 70, вып. 3. С. 619-641.

13. Dantchenko A., Lukhtanov V.A. Zur Systematik und Verbreitung der Arten der Polyommatus (Agrodiaetus) damone-Gruppc (Lepidoptera, Lycaenidae) Südosteuropas und Südwestsibiriens II Atalanta. 1993. Bd 24, N 1/2. S. 75-83, 324325.

14. Budashkin J. I., Lukhtanov V.A. Eine neue Art der Untergattung Agrodiaetus von der Krim (Lepidoptera, Lycaenidae) II Atalanta. 1993. Bd 24, N1/2. S. 85-88, 326-327.

15. Лухтанов В.А. Возможный механизм возникновения резко различающихся хромосомных чисел у близких видов чешуекрылых (Insecta, Lepidoptera) // Кариосистематика беспозвоночных животных, вып. 2. Санкт-Петербург. 1993. С. 28-32.

16. Dantchenko A.V., Lukhtanov V.A. New taxa of the subgenus Agrodiaetus Htlbner, 1822 from Caucasus (Lepidoptera, Lycaenidae) // Atalanta. 1994. Bd 25, N1/2. S. 207-213,432-433.

17. Lukhtanov V.A., Lukhtanov A.G., 1994. Die Tagfalter Nordwestasiens. Herbipoliana. 440 S., 56 Tafeln.

18. Белякова H.A., Лухтанов В.А. Кариотипические особенности некоторых семейств чешуекрылых (Lepidoptera) нокгуоидного и бомбикоидного комплексов // Энтомол. обозр. 1994. Т. 73, вып. 3. С. 723-738.

19. Lukhtanov V. A., Zolotuhin V. V., Beliakova N. A., Eitschberger U., Kandul N. Die karyologische und morphologische Begründung der Artselbständigkeit von Euproctis kogistana spec. nov. aus Tadschikistan (Lepidoptera, Lymantriidae) // Atalanta. 1995. Bd 25, Heft 3/4. S. 543-557, 624-625.

20. Beliakova N. A , Dolinskaya I. V., Lukhtanov V.A. A chromosome study of four species of Notodontidae (Lepidoptera) // Atalanta. 1995. Bd 25, Heft 3/4. S. 559-561.

21. Lukhtanov V. A. Die Evolution der Chromosomenzahlen bei den Lepidopte-ren // Symposium in honour of Zdravko Lorkovic. Proc. of abstracts. Zagreb. 1995. P. 24-25.

22. Лухтанов B.A., Пуплясене Ю. В. Кариотипические особенности и основные закономерности эволюции кариотипов у чешуекрылых нептикулоидно-го, тишериоидного, гелехиоидного и тинеоидного комплексов (Lepidoptera: Nepticuloidea, Tischerioidea, Gelechioidea s. 1., Psychoidea - Gracillarioidea) // Энтомол. обозр. 1996. Т. 75, вып. 2. С. 310-323.

23. Кандул Н.П., Лухтанов В.А. Кариотипическая изменчивость и систематика голубянок групп Polyommatus (Agrodiaetus) poseidon и Polyommatus (.Agrodiaetus) dama (Lepidoptera, Lycaenidae) 11 Зоол. журн. 1997. Т. 76, вып. 1. С. 63-69.

24. Lukhtanov V.A., Dantchenko A.V., Kandul N.P. Die Karyotypen von Polyommatus (Agrodiaetus) damone damone und P. (A.J damocles rossicus nebst einigen Problemen bei Agrodiaetus (Lepidoptera, Lycaenidae) // Nachr. Entomol. Ver. Apollo. 1997. Supp. 16. S. 43-48.

25. Лухтанов В.А. Цитогенетические особенности и система высших таксонов надотряда Amphiesmenoptera (Lepidoptera, Trichoptera) // Проблемы энтомологии в России. 1998. Т. 2. С. 13-14.

26. Lukhtanov V. A., Kandul N. Р., De Prins W. О., van der Poorten D. Karyology of species of Polyommatus (Agrodiaetus) from Turkey: new data and

their taxonomic consequences (Lepidoptera: Lycaenidae) // Holarctic Lepidoptera. 1998. Vol. 5, N 1,P. 1-8.

27. Lukhtanov V. Extraordinarily high rate of chromosomal mutations and spe-ciation in some genera of the Palearctic butterflies (Lepidoptera, Papilionoidea) // 3rd International Butterfly Ecology and Evolution Symposium. Mt. Crested Butte, Colorado, USA, August 15-19, 1988. P. 36.

28. Lukhtanov V. A. Die taxonomische und evolutionsbiologische Bedeutung der Chromosomenzahlen bei Lepidopteren // Mitt. Thüringer Entomologenverbandes.

1998. Bd 5, Heft 2, S. 47-48.

29. Lukhtanov V.A. Neue Taxa und Synonymen der zentralasiatischen Tagfalter (Lepidoptera, Papilionoidea)//Atalanta, 1999, Bd 30, Heft 1/4. S. 135-150.

30. Lukhtanov V.A., Puplesiene J. Polyploidy in bisexual species of Lepidoptera (Insecta: Lepidoptera): old hypotheses and new data // Bonner Zoologische Beiträge.

1999. Vol. 48, N 3-4 (в печати).

31. Стекольников АЛ., Иванов В.Д., Кузнецов В.И., Лухтанов В.А. Эволюция хромосомного аппарата, крыловых сочленений, гениталий самцов и филогенез дневных чешуекрылых (Lepidoptera: Hesperioidea, Papilionoidea) // Энтомол. обозр.

2000. (в печати).

32. Lukhtanov V. A. Finding of sex chromatin in nonditrysian Lepidoptera with consideration of sex chromosome and sex chromatin evolution in Amphiesmenoptera (Insecta) // J. Zool. Syst. Evol. Research (в печати).