Скорость обмена генетическим материалом у Drosophila littoralis (Diptera: Drosophilidae) в географически связанных и изолированных природных популяциях

Введение

Основным микроэволюционным фактором, сглаживающим действие естественного отбора, дрейфа генов и мутационного процесса, лежащих в основе генетической дифференциации природных популяций, является генный поток. Именно генный поток путем обмена наследственным материалом между популяциями выравнивает их генетическую структуру, позволяя виду сохранять единый генофонд. Величина генного потока зависит от сложного взаимодействия различных микроэволюционных сил и может серьезно различаться в изолированных или непрерывных популяциях одного вида.

С появлением генетических маркеров у исследователей впервые возникла возможность точно оценивать величину генного потока. Удобной моделью для оценки генного потока в природных популяциях насекомых является хорошо генетически изученная Drosophila littoralis Meigеn – палеарктический представитель двойниковых видов, входящих в группу virilis. Виды-двойники Drosophila группы virilis успешно использовались в качестве модельной системы для изучения процессов видообразования [1; 2; 3], молекулярной эволюции [4; 5; 6], а также таксономии и систематики [7; 8]. В тоже время скорость обмена генетическим материалом в природных популяциях этих видов практически не изучалась.

Целью данной работы было провести оценку уровня генного потока у D. littoralis в географически связанных и изолированных природных популяциях Палеарктики на основе использования в качестве молекулярно-генетических маркеров 14 генов кодирующих изоферменты.

Материалы и методы

D. littoralis обитает вблизи незагрязненных лесных водоемов. Её взрослые особи были отловлены в 10 природных популяциях (рис. 1), которые находятся в восточной части ареала распространения данного вида на территории Палеарктики [6; 7; 9].

Название популяций и месторасположение исследованных особей D. littoralis: 1) «Днепровская» – вблизи г. Речица, Беларусь; 2) «Гомель ручейная» – вблизи г. Гомель, Беларусь; 3) «Гомель болотная» – вблизи г. Гомель, Беларусь; 4) «Орша» – вблизи г. Орша, Беларусь; 5) «Латвия» – вблизи г. Цесие, Латвия; 6) «Кропотово» – вблизи п. Кропотово, Московская обл.; 7) «Карелия» – побережье Белого моря, Каре­лия; 8) «Новосибирск» – р. Обь южнее г. Новосибирск; 9) «Алтай» –  р. Катунь вблизи г. Бийск, Алтайский кр.; 10) «Талас» – вблизи г. Талас, Кыргызстан. Месторасположение проанализированных популяций показаны на рис. 1.

Изученные популяции были подразделены на группы: европейская – популяции 1-7, сибирская – 8-9 и тянь-шаньская – 10.

Взрослые особи вида D. littoralis исследовались методом электрофореза. Электрофоретическое фракционирование особей проводилось нами по 11 ферментам с использованием двух буферных систем: А) трис-ЭДТА-боратная, рН 8,6; В) трис-цитрат, рН 6,2. Все параметры электрофоретического фракционирования, а также методики экстракции и гистохимического выявления ферментов подробно приведены нами ранее [1; 10; 11]. Обозначение выявленных электрофоретических вариантов дано по общепринятой номенклатуре Пракаша с соавторами [12].

Для выявления значения генетической подразделённости популяций использовали показатели F_ST [13] и G_ST [14]. Величина генного потока (N_em) определялась из соотношения N_em=(1-F_ST)/4F_ST, где F_ST - коэффициент подразделенности популяций [13].

Результаты и обсуждение

В ходе электрофоретического исследования особей D. littoralis, из 10 природных популяций по 11 ферментным системам удалось выявить 41 различный электрофоретический вариант, находящийся, как было показано ранее [15; 16] под генетическим контролем 14 локусов.

Для оценки генетической структуры были рассчитаны частоты встречаемости аллелей в каждой из 10 исследованных популяций D. littoralis. Аллельные частоты по 14 проанализированным генам представлены в табл. 1.

Как видно из таблицы 1 полностью мономорфными в исследованных популяциях являются четыре локуса: Fum, α-Gpdh, с-Mdh, m-Mdh, поскольку по каждому из них найден только один аллель. Наибольшая изменчивость обнаружена по генам, кодирующим          α-эстеразу-3, ß-эстеразу-2, кислую фосфатазу-1 и октанолдегидрогеназу (табл. 1).

На  основании  аллельных  частот,  используя  F-статистики Райта (F_ST) и G-статистики Неи (G_ST), предпринята попытка оценить состояние равновесия и степень подразделенности исследованных природных популяций D. littoralis Палеарктики.

Таблица 1. Аллельные частоты в исследованных природных популяциях D. littoralis

 

Локусы	Аллели	Популяции
		Дн	Г-р	Г-б	Орш	Лат	Кр	Кар	Нов	Алт	Тал
PGM	n**	62	106	156	4	8	4	10	4	12	36
	0,40	0,032	0,009	0,006	0,000	0.000	0,250	0,000	0,000	0,000	0,027
	0,80	0,952	0,973	0,969	0,750	1.000	0,750	1,000	0,750	0,750	0,973
	1,00	0,016	0,009	0,019	0,250	0.000	0,000	0,000	0,250	0,167	0,000
	1,20	0,000	0,009	0,006	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,083	0,000
ME	n	62	106	156	4	8	4	10	4	12	36
	1,10	0,000	0,000	0,006	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,20	1,000	1,000	0,994	1,000	1.000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000
HK-1	n	62	106	136	4	8	4	10	4	12	36
	1,00	0,032	0,000	0,014	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,40	0,919	0,982	0,979	1,000	1.000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000
	1,80	0,032	0,009	0,007	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	2,00	0,016	0,009	0,000	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
HK-8	n	62	106	136	4	8	4	10	4	12	36
	1,00	0,968	1,000	1,000	1,000	1.000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000
	1,05	0,032	0,000	0,000	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
FUM	n	62	106	144	4	0	4	10	0	0	36
	1,00	1,000	1,000	1,000	1,000	0.000	1,000	1,000	0,000	0,000	1,000
α-EST-3	n	68	116	149	4	0	4	10	0	0	36
	0,90	0,000	0,008	0,000	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	0,95	0,132	0,155	0,255	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,083
	1,00	0,059	0,086	0,042	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,02	0,324	0,302	0,315	0,250	0.000	0,250	0,700	0,000	0,000	0,734
	1,10	0,324	0,379	0,248	0,500	0.000	0,250	0,200	0,000	0,000	0,128
	1,14	0,162	0,069	0,140	0,250	0.000	0,500	0,100	0,000	0,000	0,055
β-EST-2	n	63	112	154	4	8	4	10	4	10	36
	1,36	0,000	0,000	0,007	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,39	0,016	0,000	0,000	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,44	0,111	0,125	0,104	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,46	0,016	0,000	0,032	0,000	0.000	0,500	0,200	0,000	0,000	0,000
	1,48	0,587	0,572	0,565	0,500	0.750	0,500	0,700	0,500	0,600	0,083
	1,51	0,270	0,303	0,292	0,500	0.250	0,000	0,100	0,500	0,400	0,917
ACPH-1	n	62	106	152	4	9	4	8	4	12	36
	1,03	0,000	0,038	0,040	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,08	0,823	0,840	0,809	1,000	0.556	1,000	0,750	0,750	0,500	1,000
	1,14	0,064	0,094	0,092	0,000	0.333	0,000	0,125	0,000	0,250	0,000
	1,20	0,113	0,028	0,059	0,000	0.111	0,000	0,125	0,250	0,250	0,000
ADH	n	62	80	112	4	8	4	6	4	12	36
	1,00	0,016	0,000	0,000	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,40	0,984	1,000	1,000	1,000	1.000	1,000	1,000	1,000	1,000	1,000
ODH	n	30	52	12	0	0	2	0	0	0	0
	0,95	0,000	0,019	0,000	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,00	0,901	0,943	0,917	0,000	0.000	0,500	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,05	0,000	0,038	0,000	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,10	0,066	0,000	0,083	0,000	0.000	0,500	0,000	0,000	0,000	0,000
	1,20	0,033	0,000	0,000	0,000	0.000	0,000	0,000	0,000	0,000	0,000
α-GPDH	n	0	0	2	0	8	0	0	4	12	6
	1,00	0,000	0,000	1,000	0,000	1.000	0,000	0,000	1,000	1,000	1,000
c-MDH	n	0	0	2	0	8	0	0	4	12	6
	1,91	0,000	0,000	1,000	0,000	1.000	0,000	0,000	1,000	1,000	1,000
m-MDH	n	0	0	2	0	8	0	0	4	12	6
	1,00	0,000	0,000	1,000	0,000	1.000	0,000	0,000	1,000	1,000	1,000
IDH	n	0	0	2	0	8	0	0	4	12	6
	0,98	0,000	0,000	1,000	0,000	0.875	0,000	0,000	1,000	0,833	1,000
	1,00	0,000	0,000	0,000	0,000	0.125	0,000	0,000	0,000	0,167	0,000

Примечание, ^* Дн – Днепровская, Г-р – Гомель ручейная, Г-б – Гомель болотная, Орш – Орша, Лат – Латвия, Кр – Кропотово, Кар – Карелия, Нов – Новосибирск, Алт – Алтай, Тал­­ – Талас,^**n – число проанализированных геномов.

Показатель подразделенности – F_ST для всех множественных аллелей подсчитывался как средневзвешенный по всем исследованным популяциям и варьировал в полиморфных локусах от 0,085 (α-Est-3) до 0,135 (β-Est-2) (табл. 2). Среднее значение F_ST составило 0,053.  Это говорит  о  том,  что  94,7%  всей  изменчивости  находится  внутри  популяций

D. littoralis и только 5,3% приходится на межпопуляционную изменчивость. Относительно

Таблица 2. Значения показателей под- разделенности в популяциях D. littoralis
Локус	fst	gst
PGM	0,129	0,139
ME	0,005	0,005
HK-1	0,026	0,034
HK-8	0,029	0,029
FUM	0,000	0,000
α-EST-3	0,085	0,115
β-EST-2	0,135	0,194
ACPH-1	0,110	0,142
ADH	0,115	0,236
ODH	0,132	0,260
α-GPDH	0,000	0,000
c-MDH	0,000	0,000
m-MDH	0,000	0,000
IDH	0,096	0,096
Среднее	0,053	0,072

близкое среднее значение, равное 0,072 (табл. 2), было установлено и по другому показателю, определяющему подразделенность – G_ST, который, как было показано в работе Неи [16], эквивалентен параметру F_ST. Полученные значения F_ST и G_ST, приведенные в табл. 2, позволяют говорить об определенной неоднородности генетической структуры, по крайней мере, в изученной нами части ареала D. littoralis, что может объясняться географической удаленностью и изолированностью ряда проанализированных популяций Палеарктики (рис. 1). Популяции Латвии, Белоруссии и России тесно связаны между собой и изолированы от Сибирских и Тянь-шаньских большим расстоянием и географическими преградами.

Таблица 3.Показатели коэффициента подразделенности и генного потока в группах популяций D. littoralis
группы популяций	Fst	Nem
Европейско-сибирско-тянь-шаньские	0.053	4.47
Европейско-сибирские	0.048	4.96
Европейские	0.045	5.31

Генный поток вычислялся для всех исследованных трех групп популяций D. littoralis Палеарктики. Результаты сведены в таблицу 3. Рассчитав значение F_ST для каждой группы популяций (табл. 3), мы определили величину генного потока (N_em), которая оказалась для европейско-сибирско-тянь-шаньской группы популяций равной 4,47. Это говорит о том, что изученные популяции D. littoralis обмениваются генетическим материалом в среднем с интенсивностью 4,5 мигранта за поколение. При исключении популяции Тянь-Шаня величина N_em для европейско-сибирской группы увеличивается до 4,96 мигрантов за поколение. Значение  генного  потока  для европейской группы популяций при исключении популяций Алтая и Новосибирска увеличивается до 5,31 мигрантов за поколение (табл. 3).

 Полученные данные однозначно указывают на достаточно интенсивный обмен генетическим материалом между исследованными популяциями D. littoralis в Палеарктическом регионе, не смотря на наличие между ними географических преград, таких как Уральские, Алтайские и Тянь-шаньские горы. Степень отличия в показателе N_em хорошо соответствуют характеру распределения и взаимосвязи популяций у D. littoralis и напрямую связана с географической удаленностью популяций друг от друга.

Заключение

Таким образом, в работе на основании проведенного генетического анализа 10 природных популяций D. littoralis Палеарктики, с использованием 14 генов, были установлены основные показатели генетической подразделенности и генного потока. Величина генного потока (N_em) для всех исследованных нами популяций составила 4,47. Показано, что для отдельных групп популяций эта величина возрастает до 5,31. Полученные генетические данные однозначно указывают на зависимость величины генного потока от географической удаленности популяций друг от друга.

 

Автор выражает искреннюю благодарность члену-корреспонденту НАН Беларуси, профессору Гончаренко Г.Г. за всестороннюю помощь в проведении научных исследований.

 

Литература:

1.                    Гончаренко Г.Г., Митрофанов В.Г., Корочкин Л.И., Савицкий Б.П. Перый этап видообразования у двух подвидов Drosophila группы virilis // ДАН СССР. 1989. Т. 304. № 2. С. 448-451.

2.                    Майр Э. Зоологический вид и эволюция. М.: Мир, 1968. 462 с.

3.                    Patterson S.T., Stone W.S. Evolution in the genus Drosophila. N. Y.: McMillan, 1952. 212 р.

4.                    Nei M. Interspecific gene differences and evolutionary time estimated from electrophoretic data on protein identity // Amer. Natur. 1971. V. 105. P. 385–398.

5.                    Spicer G.S., Bell C.D. Molecular phylogeny of the Drosophila virilis species group (Diptera: Drosophilidae) inferred from mitochondrial 12S and 16S ribosomal RNA gene // Genes Ann. Entomol. Soc. Am. 2002. V. 95. P. 156-161.

6.                    Throckmorton L.H. The virilis species group. In M. Ashburner and E. Novistky [eds.]. The genetics and biology of Drosophila. London: Academic. 1982. V. 3B. P. 227-297.

7.                    Гончаренко Г.Г., Емельянов И.М. Электрофоретический ключ для типировки взрослых особей двойниковых видов Drosophila группы virilis, обитающих в Палеарктике // Докл. АН СССР, 1990. Т. 313. № 2. С. 448-452.

8.                    Goncharenko G.G., Emelianov I.M. An electrophoretic key to adult members of the sibling species belonging to the Drosophila virilis group (Diptera, Drosophilidae) inhabiting Soviet Union and adjacent countries // Z. zool. Syst. Evolut.-forsch. 1992. V. 30. P. 281-286.

9.                    Lakovaara S., Saura A., Lankinew P., Pohjola L., Lokki P. The use of isoenzymes in tracing evolution and in classifying Drosophilidae // Zool. Scr. 1976. V. 5. P. 173-179.

10.                Гончаренко Г.Г., Митрофанов В.Г., Катохин А.Н. Изучение биохимического полиморфизма у Drosophila imeretensis в природных популяциях Краснодарского края // Генетика. 1984. Т. ХХ. № 4. С. 620-627.

11.                Сурков А.А., Гончаренко Г.Г., Митрофанов В.Г., Корочкин Л.И. Методический подход к исследованию генофондов короткоусых двукрылых Drosophila группы virilis в природных популяциях Беларуси // Известия ГГУ им. Ф. Скорины. 2003. № 5. С. 50-54.

12.                Prakash S., Lewontin R.C., Hubby J.L. A molecular approach to the study of genic heterozygosity in natural populations. IV. Patterns of genic variation in central, marginal and isolated populations of Drosophila pseudoobscura // Genetics. 1969. V. 61. P. 841-858.

13.                Wright S. The interpretation of population structure by F-statistics with special regards to systems of mating // Evolution. 1965. V. 19. P. 395-420.

14.                Nei M. Molecular Population Genetics and Evolution. Amsterdam: Holland Press, 1975. 278 p.

15.                Гончаренко Г.Г. Аллозимная диагностика видов-двойников Drosophila группы virilis // ДАН СССР. 1987. Т. 295. № 4. С. 976-980.

16.                Гончаренко Г.Г., Сурков А.А., Митрофанов В.Г., Корочкин Л.И. Генетико-эволюционные и таксономические взаимоотношения у видов-двойников Drosophila группы virilis Палеарктики // Известия ГГУ им. Ф. Скорины. 2004. №3. С. 144-157.