Генетико-эволюционные и таксономические взаимоотношения у видов-двойников Drosophila группы virilis Палеарктики

p align="left">Таблица 3. Число диагностических генов для каждой пары шести представителей Drosophila группы virilis Палеарктики

№ вида	Виды	№ вида
		1	2	3	4	5	6
1	D. virilis		4	7	7	7	6
2	D. lummei	3		4	5	8	7
3	D. l. littoralis	6	3		3	7	6
4	D. l. imeretensis	7	5	1		7	6
5	D. montana	6	5	6	6		6
6	D. ezoana	5	5	4	6	5

Примечание. Ниже диагонали - гены, по каждому из которых ошибка в определении вида не превышала 1 %; выше диагонали - все гены, по которым имеется возможность установить видовую принадлежность особей (включая высокодиагностические)

Некоторые гены еще не достигли уровня диагностических, хотя и по ним с высокой вероятностью можно определить, к какому виду относится та или иная особь группы virilis (табл. 3). Количество таких генов вместе с диагностическими по каждой паре видов приведены в табл. 3 выше диагонали.

Для точной оценки уровня генетической дифференциации видов-двойников Drosophila группы virilis мы использовали коэффициент генетической дистанции Неи (Nei, 1972), который учитывает различия по всем исследованным локусам, а не только по диагностическим и сильноразличающимся. Значения коэффициентов генетической дистанции полученные нами для 5 палеарктических видов группы virilis приведены в табл. 4. Как и следовало ожидать исходя из сравнения аллельных частот, наименьшие значения коэффициентов дистанции Неи выявлены между аллопатрическими подвидами D. l. littoralis и D. l. imeretensis средняя величина DN для которых равна 0.141 (табл. 4). Дистанция Неи между D. virilis и D. lummei входящих в одну филаду составила 0,334. Наибольшие значения коэффициентов дистанции Неи у видов из разных филад - D. virilis и D. l. littoralis средняя величина DN равна 0.909. Следовательно, у двух видов двойников произошло более 90 аллельных замен на 100 локусов.

Таблица 4. Значения коэффициентов генетической дистанции Неи для шести представителей Drosophila группы virilis Палеарктики

Виды	D. lummei	D. l. littoralis	D. l. imeretensis	D. montana	D. ezoana
D. virilis	0.334	0.909	0.843	0.608	0.627
D. lummei		0.645	0.580	0.764	0.636
D. l. littoralis			0.141	0.687	0.617
D. l. imeretensis				0.668	0.511
D. montana					0.684

Для наглядного изображения полученных результатов на базе данных табл. 4 с использованием невзвешенного парно-группового метода кластерного анализа (UPGMA) построена дендрограмма, иллюстрирующая степень генетической дифференциации у 6 исследованных видов-двойников Drosophila группы virilis (рис. 6). Из дендрограммы хорошо видно, что D. ezoana, D. montana, и D. littoralis, которые входят в филаду montana замыкаются в собственный кластер, отделённый от представителей филады virilis. Дистанция Ней как между видами филады montana, так и видами из разных филад, превышает значение 0,55 (табл. 4). Иными словами разница в генотипах между этими видами превысила 50%. Вместе со столь внушительной разницей появилась и практически полная репродуктивная изоляция, так как среди немногочисленных межвидовых гибридов фертильны только некоторые самки. Причём, особи D. littoralis, D. montana, и D. ezoana в природных популяциях часто встречаются вместе, однако нам ни разу не удалось обнаружить межвидовых гибридов. Это говорит о том, что наряду с постзиготической репродуктивной изоляцией между этими видами уже сформировались и действуют презиготические изолирующие механизмы.

Сходная ситуация имеет место и при сравнении видов и разных филад. В этом случае разница в геномах превышает 70% (табл. 4) и среди межвидовых гибридов фертильны только отдельные самки. Следовательно, мы наблюдаем 5-ый уровень генетической дифференциации, когда после завершения процесса видообразования генетические различия и репродуктивный барьер продолжают углубляться, но морфологические отличия ещё крайне не значительны и визуально не обнаруживаются.

Установленные нами на основании генетической близости филогенетические взаимоотношения 5 видов-двойников Drosophila группы virilis (рис.6) в целом согласуются с результатами цитологического анализа (Throckmorton, 1982), по которым виды группы virilis распадаются на две филады и возникают путём классической дивергентной эволюции. В тоже время, исходя из наших данных (рис. 6), распад общей предковой формы произошёл около миллиона лет назад сразу на 3 ветви: ветвь virilis, которая затем претерпела собственную эволюцию на территории Евразии; ветвь littoralis, позднее распавшуюся на D. littoralis и D. ezoana и широко распространившиеся по всей Полеарктике; и, наконец, ветвь montana, которая дала D. montana, обитающую как в Еразии, так и в Северной Америке.

В ходе исследования природных популяций Drosophila группы virilis выявлено 5 уровней генетической дифференциации табл.5. На первом уровне находятся географически связанные популяции, поток генов между которыми нивелирует все генетические различия; на втором уровне находятся географически изолированные популяции одного вида; на третьем - кавказский и северный подвиды D. littoralis, у которых появились первые признаки репродуктивного барьера; на четвертом - двойниковые виды D. virilis и D. lummei из одной филады, меду которыми ещё возможны фертильные гибриды обоего пола; и, наконец, на пятом уровне находятся виды-двойники из разных филад, репродуктивный барьер между которыми сформировался почти полностью. Показано, что эволюционный процесс у евроазиатских видов группы virilis начался более миллиона лет назад с распада сразу на 3 ветви: virilis, littoralis и montana, которые затем эволюционировали самостоятельно.

Таблица 5. Генетическая дифференциация между популяциями Drosophila группы virilis, находящихся на разных уровнях эволюционной дивергенции. Уровни 3 и 4 отвечают значениям коэффициентов генетической дистанции Неи для шести представителей Палеарктики

	Уровни сравнения	Значения дистанции Неи
1.	Географически связанные популяции	0.022
2.	Географически разделенные популяции	0.065
3.	Подвиды	0.141
4.	Молодые виды-двойники одной филады	0.334
5.	Виды-двойники разных филад	0.682

3. Электрофоретический ключ для типировки взрослых особей

Изоферментные маркеры постепенно начали применяться и для выяснения ряда таксономических вопросов (Ayala, Powell, 1972; Pinsker, Buruga, 1982; Geiger, Scholl, 1985). Ранее предпринимались попытки построения электрофоретических ключей, которые позволяют быстро и надежно устанавливать видовую принадлежность отдельных особей (Miles, 1979; Berlocher, 1980; Hovard, Furth, 1986; Menken, Ulenberg, 1986).

На основании представленного выше электрофоретического анализа изоферментов нами составлен точный и относительно недорогой определительный ключ, позволяющий легко и быстро идентифицировать особей пяти палеарктических видов-двойников Drosophila группы virilis.

Из таблицы аллельных частот (табл. 2) хорошо видно, что локус Adh делит виды на две группы. К первой относятся виды, входящие в филаду virilis - D. lummei и D. virilis, у которых встречается только аллель 1.00. Вторую группу составляют три вида филады montana, практически все особи которых несут аллель 1.40.

Ген, кодирующий фосфоглюкомутазу, является наиболее изменчивым из трех локусов, тем не менее он позволяет нам легко отличить особей D. virilis, гомозиготных или гетерозиготных только по аллелям 1.00 и 1.20, от представителей D. lummei, гомозиготных по аллелю 0.80 или гетерозиготных по аллелям 0.80/1.00.

По ME можно легко протипировать особей D. montana, имеющих "медленные" электрофоретические фенотипы, а также особей D. l. littoralis и D. l. imeretensis, которые отличаются своими аллелями не только от остальных видов группы, но и между собой.

На рис. 7 дана схема, показывающая основные электрофоретические фенотипы исследованных нами видов-двойников группы virilis. Представлены фенотипы, которые встречаются в природных популяциях не реже чем один на тысячу особей. На основании данных содержащихся в табл. 2 и рис. 7 нами составлен электрофоретический ключ, позволяющий быстро и надежно определять особей пяти видов-двойников. Необходимым условием использования данного ключа является наличие особей вида-стандарта. В нашем ключе стандартом является D. virilis, которая легко культивируется в лабораторных условиях.

На начальном этапе использования ключа анализируется фермент ADH (табл. 6). На одном электрофоретическом блоке вместе с образцами мух неизвестных видов ставится стандартный образец. Если электрофоретический фенотип определяемой мухи совпадает со стандартом, то данная особь относится либо к D. virilis, либо к D. lummei. Следует отметить, что стандартный фенотип по ADH может встретиться также и у D. littoialis (см. табл. 2), однако вероятность этого события не превышает 4 х 10-6. Иными словами, при определении видовой принадлежности одного миллиона особей D. littoralis на данном этапе ошибочно будут определены только 4 мухи (т.е. ошибка менее 0,0004%). Для того чтобы точно установить видовую принадлежность особей, стандартных по ADH, следует проанализировать их фенотип по фосфоглюкомутазе. Если электрофоретический фенотип по PGM у таких особей совпадает или выше стандарта, то это D. virilis, а если ниже стандарта, то - D. lummei. При этом ошибка определения на данном этапе не превышает 0,05%.Особи, оказавшиеся нестандартными по ADH, должны быть исследованы по ферменту малик-энзиму. Мухи, стандартные по ME, относятся к D. ezoana, показавшие более медленный фенотип - к D. montana, а более быстрый - к D. littoralis. Причем особи, относящиеся к подвиду D. l. littoralis, отличаются от D. l. imeretensis более быстрым электрофоретическим фенотипом по малик-энзиму.

Таблица 6. Электрофоретический ключ для палеарктических видов группы virilis

№ этапа определения	Фермент	Подвижность относительно стандарта	Диагноз	Максимальная ошибка диагноза. %
1	ADH	стандарт	2	0,0004
	ADH	быстрее стандарта	3	0,0000
2	PGM	стандарт, или быстрее стандарта	D. virilis	0,0441
	PGM	медленнее стандарта	D. lummei	0,0445
3	ME	стандарт	D. ezoana	0,1225
	ME	не стандарт	4	0,0000
4	ME	медленнее стандарта	D. montana	0,1225
	ME	быстрее стандарта	5	0,0000
5	ME	самый быстрый электрофоретический фенотип в группе virilis	D. l. littoralis	0,4100
	ME	быстрее стандарта, но медленнее D. l. littoralis	D. l. imeretensis	0,4096

Заключение

Таким образом, проведен анализ генетико-эволюционных и таксономических взаимоотношений у видов-двойников Drosophila группы virilis, обитающих в природных популяциях Палеарктики, с использованием генов, кодирующих различные изоферменты, который показал, что, в ходе электрофоретического исследования особей шести представителей Drosophila группы virilis из 47 природных популяций удалось выявить по 11 ферментным системам 89 различных электрофоретических вариантов, находящихся под генетическим контролем 15 локусов. Проанализированы диагностические гены. Наиболее информативными оказались локусы Me, Acph-1, Pgm, Я-Est-2 и б-Est-3. Для точной оценки уровня генетической дифференциации видов-двойников Drosophila группы virilis использован коэффициент генетической дистанции Неи. Составлен точный и относительно недорогой электрофоретический ключ, позволяющий легко и быстро идентифицировать особей пяти палеарктических видов-двойников Drosophila группы virilis.

Литература

1. Гончаренко Г.Г. Аллозимная диагностика видов-двойников Drosophila группы virilis // ДАН СССР. - 1987. - Т. 295. N 4. - С. 976-980.

2. 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. N 2. - С. 448-452.

3. 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.

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

5. Левонтин Р. Генетические основы эволюции: Пер. с англ. М.: Мир, 1978. - 352 с.

6. Майр Э. Зоологический вид и эволюция. Пер. с англ. М.: Мир, 1968. - 462 с.

7. Anderson W.W., Ayala F.J., Michod R.E. Chromosomal and allozymic diagnosis of three species of Drosophila.. // J. Hered., 1977. - vol. 68, p. 71-74.

8. Ayala F.J., Powell J.R. Allozymes as diagnostic characters of sibling species of Drosophila// Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1972. V. 69. - P. 1094-1096.

9. Berlocher S.M. An electrophoretic key for distinguishing species of the genus Rhagoletic (Diptera; Tephritidae) as larvae, pupae or adults // Ann. Entomol. Sos. Amer. 1980. - Vol.73. - P.131-137.

10. Geiger H., Scholl A. Systenatic and evolution of Holarctic Pierinae (Lepidoptera). An enzyme electrophoretic approach // Experientia. - 1985, vol. 41, p. 24-29.

11. 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.

12. Goncharenko G.G., Mitrofanov V.G., Korochkin L.I. Localization of genes coding for biochemical traits on the second chromosome of Drosophila imeretensis Sokolov (D. littoralis Meigen)// Biochemical Genetics. - 1985. - V. 23. N 3-4. - P. 329-335.

13. Hovard D.J., Furth D.G. Review of the Allonemobius fasceatus (Orthoptera: Grillidae) comlex with the description of two new species separated by electrophoresis, songs and morphometrics. Ann. Entomol. Soc. Am. 79, 1986. - p. 472-481.

14. Kojima K., Gillespie J., Tobari Y.N. A prophile of Drosophila species enzymes assayed by electrophoresis. I. Nurmber of alleles, heterozygosites and lincage disequilibrium in glucose-metabolizing systems and some other enzymes. - Biochem. Genet. - 1970. - Vol.4. - N4. - P.627.

15. Korochkin L.I. Genetic control and development expression of esterase isozymes in Drosophila of the virilis group. In C. Markert [ed.], 3.ISOZYMES: Developmental biology. Academic Press Inc., London. - 1975. - P. 99-117.

16. 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.

17. Menken S., Ulenberg S. Allozymatic diagnosis of four economically important Liriomyza species (Diptera, Agromyzidae). - Ann. appl. Biol., 1986, vol. 109. - p. 41-47.

18. Miles S. A biochemical key to adult members of the Anopheles gambiae group of species (Diptera: Culicidae). J. Med. Entomol. 15, 1979. - p. 297-299.

19. Nei M. Interspecific gene differences and evolutionary time estimated from electrophoretic data on protein identity // Am. Nat. 1971. V. 105. - P. 385-398.

20. Nei M. Genetic distance between populations // Am. Nat. 1972. V. 106. - P. 283-292.

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

22. Patterson S.T., Stone W.S. Evolution in the genus Drosophila N. Y.: McMillan. - 1952 - P.610.

23. Pinsker W., Buruga J. Comparative study of allozyme variation in six species of the Drosophila obscura group. - 1982, vol.20, p.53-63.

24. 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.

25. Sneath P. H. A., Sokal R. R. Numerical Taxonomy: the Principles and Practice of Numerical Classification. San Francisco: W. H. Freeman, 1973. - 573 p.

26. 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. 95(2). - 2002. - P. 156-161.

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

Страницы: 1, 2