Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Закономерности генетической изменчивости в популяциях дрозофилы

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Имашева, Александра Григорьевна, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова

0-1 № Щ щ/д

Александра Григорьевна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ В ПОПУЛЯЦИЯХ ДРОЗОФИЛЫ

03.00.15 - генетика

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора биологических наук

На правах рукописи УДК 575.174:575.21

Москва - 1999

Работа выполнена в Институте общей генетики им.Н.И.Вавилова РАН Научный консультант: академик РАН Ю.П. Алтухов

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

М.М. Асланян

Г'ОСУ

РОС&ИЙСОДЯ

ОУ;

•библиотека

доктор биологических наук Л.А. Васильева

О т / ^ ^ 6

доктор биологических наук В.Г. Митрофанов

Ведущее учреждение - Институт молекулярной генетики РАН

Диссертационного совета Д002.49.01 Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН в конференц-зале Института по адресу: 117809 Москва, ул. Губкина, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей генетики РАН.

Автореферат разослан "_"_ 1999 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета,

кандидат биологических наук Г.Н. Полухина

Защита состоится

«

1999 г. в_ на заседании

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время очевидно, что популяции живых организмов характеризуются крайне высоким уровнем генетической изменчивости. Широко известно высказывание С.С. Четверикова "Вид, как губка, впитывает мутации", оказавшееся пророческим. Введение в практику популяционных исследований сначала электрофореза белков как первичного продукта генов, а затем методов анализа непосредственно на уровне ДНК (фингерпринтинга, анализа ПДРФ, секвенирования) показало, что едва ли не каждый ген особей из природных популяций находится в гетерозиготном состоянии (Avise, 1994). На фенотипическом уровне изменчивость, выявляемая на уровне ДНК, проявляется, в частности, в виде изменчивости количественных признаков, т.е. признаков, контролируемых многими генами.

Вопрос о возникновении и поддержании этого огромного количества генетической изменчивости в природных популяциях является одним из центральных вопросов популяционной генетики и еще далек от полного разрешения. Изменчивость может поддерживаться разными формами отбора (преимущество гетерозигот, частотно-зависимый отбор, отбор в гетерогенной среде и др.) /T^-':zhansky, 1970; Lewontin, 1974) или за счет взаимодействия •ров популяционной динамики (Алтухов, 1978); некоторая часть - -ости, возможно, нейтральна и существует в популяциях в ~ оанзиторного полиморфизма (Kirnura, 1970). С очевидностью лверждать, что универсального механизма поддержания ■ лвости в природных популяциях не существует: такие многообразны.

Исследование способов поддержания генетической изменчивости может производиться с использованием двух подходов:

(1) анализ картины распределения изменчивости непосредственно в природных популяциях с последующим выяснением ее закономерностей с учетом конкретных условий существования данных популяций;

(2) моделирование популяционных процессов в эксперименте, где условия среды строго контролируются, а нужные значения необходимых параметров задаются экспериментатором.

Классический модельный объект генетики - дрозофила -позволяет сочетать оба этих подхода, являясь удобным объектом для первого метода и идеальным для второго. При этом общие закономерности популяционно-генетических процессов, выясненные в исследованиях на дрозофиле, могут быть экстраполированы на популяции других организмов.

Цели и задачи работы. Основной целью работы было изучение механизмов поддержания генетической изменчивости в популяциях с использованием БгозоркПа melanogaster как модельного объекта. С этой целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить пространственно-генетическую структуру природных популяций I). melanogaster на конкретном протяженном участке ареала этого вида (часть территории Евразии к востоку от Урала, Кавказ, Средняя Азия) и проанализировать механизмы ее формирования и поддержания.

2. Используя модельную систему субпопуляций дрозофилы, исследовать возможность поддержания генетической изменчивости в условиях подразделенности за счет взаимодействия факторов популяционной динамики (дрейфа генов и миграции).

3. Провести экспериментальное исследование влияния взаимодействия разных форм отбора на уровень изменчивости количественных признаков и адаптивный потенциал популяции.

4. Проанализировать характер воздействия экстремальных (стрессовых) условий внешней среды на фенотипическую и генетическую изменчивость морфологических признаков и признаков приспособленности.

Научная новизна и практическая значимость. Впервые проведено комплексное исследование генетической структуры популяций 2). melanogasíer в северных широтах по моногенным (биохимическим) и полигенным (морфологическим, поведенческим и связанным с приспособленностью) признакам. Выявлены закономерности географической изменчивости по ряду количественных признаков. Впервые в мире показано наличие географической изменчивости по форме крыла.

Впервые проведено экспериментальное моделирование генетических процессов в подразделенной популяционной системе, соответствующей замкнутой одномерной ступенчатой модели. В модельном эксперименте выявлено долгосрочное влияние пространственной подразделенности популяции на ее генетический состав. Показано, что в результате взаимодействия миграции, дрейфа и отбора в системе субпопуляций возникает устойчивая генетическая структура, характеризующаяся периодическими изменениями генных частот и сохраняющаяся в течение длительного времени (десятков поколений).

Впервые в селекционном эксперименте исследовано взаимодействие стабилизирующего и направленного отбора и

показано позитивное влияние стабилизирующего отбора в поколениях на последствия направленной селекции как в отношении изменчивости селектируемого признака, так и в отношении параметров ^адаптивности популяции.

При изучении воздействия экстремальных условий внешней среды на изменчивость количественных признаков установлено, что стрессовые воздействия приводят к повышению уровня как фенотипической, так и генетической изменчивости количественных признаков.

Результаты работы могут быть использованы для решения проблем практической селекции. В работе обоснован подход, позволяющий снизить негативные последствия интенсивного направленного искусственного отбора по хозяйственно-ценным признакам: использование в целях повышения общей приспособленности популяции наряду с направленным отбором по хозяйственно ценным признакам стабилизирующего отбора по каким-либо другим признакам, не связанным с продуктивностью.

Данные по генетической структуре подразделенных популяционных систем могут быть применены в программах по сохранению и поддержанию биоразнообразия природных популяций.

Результаты, касающиеся влияния стресса на фенотипическую и генетическую изменчивость популяций, могут быть использованы для мониторинга и прогнозирования последствий неблагоприятного влияния экстремальных условий окружающей среды на наследственные системы живых организмов, что особенно актуально в связи с увеличивающимся давлением на них антропогенных факторов. На - основании полученных результатов предложен новый биоиндикатор стрессовых (в том числе антропогенных) ситуаций в

популяциях - фенотипическая изменчивость размера имаго D. melanogaster.

Результаты работы используются в курсе лекций по популяционной генетике в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на XVI Международном генетическом конгрессе (Москва, 1978); V съезде ВОГиС им. Н.И.Вавилова (Москва, 1987); Всесоюзных конференциях и совещаниях по генетике и биологии дрозофилы (Минск, 1985; Львов, 1987; Одесса, 1989); симпозиумах "Генетика количественных признаков у животных" (Таллинн, 1990); Всесоюзной конференции "Экологическая генетика растений и животных" (Кишинев, 1987); II Всесоюзной конференции по проблемам эволюции (Москва, 1989); Международной конференции "Популяционная фенетика: анализ стабильности развития природных популяций" (Москва, 1989); I Всесоюзной конференции по генетике насекомых (Москва, 1991); V конгрессе Европейского общества эволюционной биологии (Эдинбург, 1995); Международном конгрессе "Жизнь и стресс" (Будапешт, 1997); международных конференциях "Стресс в экологических системах: теоретические и прикладные аспекты" (Роскилд, 1997) и "Экологический стресс, адаптация и эволюция" (Париж, 1998); семинарах лабораторий популяционной генетики и генетики количественных признаков Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН (Москва), лаборатории популяционной генетики и эволюции Национального научно-исследовательского центра (CNRS) (Жиф-сюр-Иветт, Франция, 1990, 1994), отдела генетики Института биологических исследований (Белград, Югославия, 1991), отдела генетики и экологии Орхусского университета (Орхус, Дания,

1995).

Объем и структура работы. Представлена совокупность работ, посвященных экспериментальному исследованию генетических процессов в модельных подразделенных популяциях, эффектов искусственного и естественного отбора на поддержание генетической изменчивости и приспособленности экспериментальных популяций, структуры генетической изменчивости природных популяций и влиянию стрессовых условий среды На фенотипическую и генетическую изменчивость. Работы выполнены на дрозофиле как модельном объекте. Общее число публикаций по теме диссертации равно 54, в том числе 41 статья в центральных отечественных и зарубежных периодических изданиях.

Фактический материал, на котором основана диссертация, получен автором лично, а также в ходе совместных исследований, в проведении которых автор внес основной вклад.

Автор благодарен сотрудникам Лаборатории генетики количественных признаков Института общей генетики РАН им. Н.И. Вавилова O.E. Лазебному, O.A. Бублию и Т.А. Ракицкой, в тесном сотрудничестве с которыми была выполнена экспериментальная работа. Я глубоко благодарна Ю.П. Алтухову и Л.А. Животовскому, оказавшими огромное влияние на мой путь в науке: без них эта работа никогда не увидела бы свет. Я также приношу искреннюю благодарность Ф. Лешке, оказавшему неоценимую моральную поддержку на последнем этапе работы.

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ ОЯОйОРНПЛ МЕЬШОСАЗТЕВ. ЕВРАЗИИ

Drosoph.Ua melanogaster является космополитическим видом, ареал которого - самый обширный в сем. БгозорЫШае - простирается от тропических до умеренных широт. Пространственная генетическая структура популяций этого вида как по моногенным признакам (изоферментам) так и по ряду количественных признаков подробно документирована для популяций Западной Европы, экваториальной Африки, Восточной Азии, Северной Америки и Австралии. По нескольким признакам показано наличие клинальной изменчивости,

.....

30« 40° 50<и .,60° ^

■50°

•Тарту

ВОСТОЧНАЯ

Гомель

ЕВРОПА • Христиновка • Кишинев

• Раменское • Рыбное • Пьяный Рог

Рис.1. Локальности сбора £>.л\elanogaster в популяциях Евразии

т.е. градиента частот (или значений признака) в зависимости от географического положения популяции (см. обзор в David, Сару, 1988; Singh, 1989; Singh, Long, 1992). Однако большая часть Евразии, а именно территория стран СНГ, до настоящего времени оставалась совершенно неизученной в этом отношении. Чтобы восполнить этот пробел, мы предприняли комплексное исследование генетической структуры популяций D. melanogaster на территории, включающей Европейскую часть бывшего СССР, Кавказ и Среднюю Азию. В общей сложности нами было изучено около 20 локальностей (рис. 1). Проведено комплексное исследование признаков, находящихся на разных иерархических уровнях биологической организации: электрофоретически разделимых ферментов (аллозимов), морфологических признаков, признаков поведения и компонентов приспособленности.

Изменчивость по локусам, кодирующим аллозимы

В 20 популяциях D. melanogaster было исследовано 8 полиморфных локусов, кодирующих ферменты: Adh (алкогольдегидрогеназа, Е.С. 1.1.1.1); a-Gpdh (а-глицерофосфатдешдрогеназа, Е.С. 1.1.1.8); Est-6 (эстераза-6, Е.С. 3.1.1.1); Est-C (эстераза С, Е.С. 3.1.1.1); 6-Pgd (6-фосфоглюконатдегидрогеназа, Е.С. 1.1.1.43); Pgm (фосфоглюкомутаза, Е.С. 2.7.5.1); Acph (кислая фосфатаза, Е.С. 3.1.3.2); Idh (НАДФ-зависимая изоцитратдегвдрогеназа, Е.С. 1.1.1.42). В табл. 1 представлены оценки изменчивости данных локусов в популяциях изученного региона. Все локусы, кроме б-Pgd, были полиморфными по 95% критерию; локус б-Pgd был полиморфным по 99% критерию.

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕН^ БИБЛИОТЕКА "

Таблица 1. Изменчивость аллозимных локусов в 20 природных популяциях ВгояорИИа melanogaster Восточной Европы, Кавказа и Средней Азии.

Локус

N

Генетическая изменчивость

Нх

Не

DST

Fsx

Тест на гетерогенность

г2

Acph 1.20 0.014 0.013 0.001 0.047 ***

Adh 1.95 0.161 0.152 0.009 0.055 ***

Est-6 2.00 0.478 0.468 0.009 0.019 **

Est-С 1.65 0.053 0.050 0.003 0.061 ***

a-Gpdh 2.00 0.418 0.403 0.015 0.036

Idh 1.80 0.251 0.206 0.045 0.178 ***

6-Pgd 1.05 0.001 0.001 0.000 0.010 IIS

Pgm 1.90 0.098 0.092 0.006 0.059 ***

Среднее 1.69 0.184 0.173 0.011 0.058 ***

±SE 0.13 0.065 0.062 0.005 0.018 -

Полиморфизм оценивался по 95% критерию. N - среднее число аллелей в популяции, Нт - общая гетерозиготность, Н§ -субпопуляционная гетерозиготность, 1)дт = Нт - Н8> - индекс фиксации Нея, оценивающий долю генетического разнообразия, обусловленного подразделенностыо популяций. **Р < 0.01, ***р< 0.001, ш — статистически недостоверно.

Среднее число аллелей изменялось от 1.05 (б-Pgd) до 2.00 (Est-6, а-Gpdh), составляя в среднем 1.63. Частоты всех локусов, за исключением б-Pgd, обнаруживали достоверную гетерогенность между популяциями по критерию х2 (Workman, Niswander, 1970). Как и у других исследованных видов животных, основная часть изменчивости приходилась на внутрипопуляцио.нный полиморфизм; межпопуляционная изменчивость в данном регионе оказалась достаточно низкой, составляя в среднем только 5.81% от общей

изменчивости. Генетические расстояния между популяциями, рассчитанные по методу Нея, также были невысокими - в среднем 0.011±0.001.

Хотя экология D. melanogaster в настоящее время изучена слабо и определенные данные по пространственной структуре популяций этого вида отсутствуют, можно предположить, что эта структура скорее всего соответствует модели "изоляция расстоянием". Миграция мух происходит как за счет их активного перемещения в поисках корма и среды для откладки яиц, так и, в значительно большей степени, за счет перевозки мух, личинок и яиц с субстратом (гниющими овощами и фруктами). Можно предположить, что причиной отмеченного невысокого уровня генетической дифференциации является достаточно интенсивная пассивная миграция, т.е. перемещение D. melanogaster в больших количествах в процессе коммерческой транспортировки фруктов и овощей из одних географических регионов в другие. Качественная оценка уровня обмена генами, определенная по методу "частных аллелей" (private alleles, Slatkin, 1985), составила 0.024±0.006. В определении уровня пространственной дифференциации популяций ключевой является величина произведения Nm, где N - эффективный репродуктивный размер популяции, а т - скорость миграции; таким образом, Nm представляет собой число мигрантов на популяцию за поколение. Значения этой величины, определенные по методу Слаткина (Slatkin, 1985) и по методу Кроу с использованием среднего FST (Crow, 1986) для исследованных популяций составила 6.43 и 3.66, соответственно. Другими словами, исследованные нами географически удаленные (см. табл. 1) популяции D. melanogaster обмениваются в среднем 3-6 мигрантами за одно поколение. Обмен мигрантами между

близлежащими популяциями, естественно, должен быть гораздо выше. Таким образом, наши данные указывают на наличие между популяциями D. melanogaster данного региона сравнительно высокого уровня потока генов. Эти результаты хорошо согласуются с современными данными, полученными для популяций D. melanogaster других континентов (Coyne et al., 1987; Singh, Rhomberg, 1987; Hale, Singh, 1991). Хотя единой точки зрения на уровень миграции D. melanogaster в природных популяциях пока нет, большинство современных авторов считает, что уровень миграции этого вида достаточно высокий.

При рассмотрении табл. 1 обращает на себя внимание большой разброс значений т (от 0.010 по локусу 6-Pgd до 0.178 по локусу Idh), что, впрочем, характерно для популяций данного вида (Singh, Rhomberg, 1987). Подобная гетерогенность FST говорит о том, что по крайней мере некоторые из рассматриваемых локусов находятся под давлением разных типов отбора. Однако полученные нами данные не дают оснований для каких-либо выводов о причинах наблюдаемой картины изменчивости, за исключением, пожалуй, только одного локуса - Adh.

Частоты Adh в исследованных нами популяциях обнаружили достоверную корреляцию с географическими и климатическими параметрами, в частности с широтой и температурой, т.е. клинальную изменчивость (коэффициент регрессии частоты аллеля Adh-F на широту 5.69 Ю"3, Р< 0.05, на температуру -1.1.57 10"3, Р < 0.01). Так