CC BY
62
УДК: 594 . 32: 591. 464
Н. А. Михайлова1, Ю. А. Грачева1 2, А. И. Гранович1
анализ частоты межвидовых спариваний в копулирующих парах морских гАСТропод рода LITTORINA КоМПлЕКСА «saxatilis»*
1 Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург
2 Санкт-Петербургский государственный университет
Введение. Репродуктивная изоляция — один из основных механизмов видообразования и поддержания генетической обособленности, в основе которого лежит невозможность перекрестного скрещивания особей совместно обитающих в природе видов [2]. Известны два способа репродуктивной изоляции, — пре- и постзиготический, первый из которых выступает в качестве изолирующего барьера, препятствующего спариванию особей разных видов и/или слиянию гамет Разнообразны формы и механизмы презиготической изоляции видов . Так, к их числу относят экологическое разделение видов, характеризующееся отсутствием физических контактов между особями: этологическую форму (различное поведение видов, включая специфическую систему распознавания партнера); временную форму (различные сроки размножения); существенны также морфологические особенности строения репродуктивной системы, биохимические реакции партнеров и/или гамет и т д. [13]. Одним из способов количественной оценки презиготической репродуктивной изоляции является сравнение частоты межвидовых и внутривидовых спариваний в популяциях близких видов [4].
Морские переднежаберные моллюски рода Littorina видового комплекса «saxatilis» включают в себя три близких вида литторин — Littorina saxatilis (Olivi, 1792), L. arcana Hannaford Ellis, 1978 и L. compressa Jeffreys, 1865. Все они раздельнополы и характеризуются внутренним оплодотворением . Для разделения этих видов применяются критерии, основанные на конхологических (форма раковины) и анатомических (строение половой системы) признаках моллюсков [8,14]. Половозрелые самки всех трех видов отличаются по строению паллиального комплекса половых желез . Самцы L. compressa имеют характерные особенности строения копулятивного органа, отличающие их от самцов L. saxatilis и L. arcana. Однако для самцов видов-двойников L. saxatilis и L. arcana видоспецифичные признаки не обнаружены [1, 7] Ранее нами был клонирован и охарактеризован фрагмент ДНК, длиной 271 п. н. , который амплифицируется у L. arcana и не амплифицируется у L. saxatilis и L. compressa [3, 11]. Фрагмент получил название А2 . 8 и был использован нами в качестве молекулярного маркера для идентификации L. arcana. Цель настоящей работы — определить видовую принадлежность партнеров в копулирующих парах и оценить характер спариваний в симпатричном поселении трех близких видов литторинид Для достижения цели были использованы морфологические критерии и амплификация ДНК партнеров с праймерами к фрагменту А2 . 8 . Учитывая отсутствие иных признаков,
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 07-04-01376 и № 08-04-10090) .
© Н . А. Михайлова, Ю . А. Грачева, А. И . Гранович, 2008
позволяющих проводить определение самцов L. saxatilis и L. arcana, это — единственный на данный момент подход для выяснения видовой принадлежности самцов и возможных механизмов репродуктивной изоляции рассматриваемых видов-двойников
Материал и методы исследования. Копулирующие пары литторинид группы «saxatilis» были собраны летом 2007 г. на побережье Баренцева моря в бухте Плохие Чевры (69° 07’ с . ш . , 36° 06’ з . д . ), в районе пос . Дальние Зеленцы . Сбор материала проводили в начале июля (сезон массового спаривания моллюсков) во время дневных отливов в среднем горизонте литорали . Собраны только те копулирующие пары, для которых был подтвержден факт спаривания (пенис самца глубоко введен в мантийную полость самки) Партнеров таких пар разделяли механически, и каждую пару помещали в отдельный пластиковый пакет с застежкой, чтобы предотвратить случайное переползание особей . Собрано 149 копулирующих пар В лабораторных условиях партнеры каждой пары были измерены (высота и ширина раковины) и вскрыты для определения пола и наличия заражения трематодами . Видовая принадлежность самок определена по наличию эмбрионов в выводковой сумке (L. saxatilis) или соотношению желез паллиального комплекса, относительной величине и расположению копулятивной бурсы (L. arcana и L. compressa) [1, 14] . Самцы L. compressa были определены по характерным особенностям строения копулятивного органа [1, 14]. Образцы тканей партнеров всех собранных пар были зафиксированы в 70°-ном этаноле, ДНК выделена методом СТАВ [12]. ДНК всех образцов проанализирована амплификацией со специфическими праймерами А2 . 8 (F+R) [3]. В дальнейшем по наличию амплифицированного фрагмента ДНК А2 . 8 определяли видовую принадлежность партнеров . Данные, полученные при помощи метода полимеразной цепной реакции, были сопоставлены с имеющимся морфологическим описанием партнеров каждой копулирующей пары
результаты исследования и их обсуждение. Среди 149 копулирующих пар обнаружено 49 пар, в которых обоими партнерами выступали самцы (24,5 % от общего числа спариваний) . Такие пары не были включены в анализ, однако сам факт наличия большого числа гомосексуальных пар в природных поселениях моллюсков, на наш взгляд, имеет важное биологическое значение . Высокий процент гомосексуальных пар отмечен для моллюсков рода Littorina не впервые . Так, при изучении ассортативного скрещивания двух морф L. saxatilis в испанских популяциях было обнаружено, что доля однополых пар достигает 30 % [15]. В шведских популяциях L. saxatilis процентный состав гомосексуальных пар составляет 26,6 %, а в популяциях L. littorea — 9 % [16]. В разных популяциях литторинид Nodilittorina radiata японского побережья число однополых пар варьирует от 4,7 до 21,1 % [9]. Полученные нами и другими авторами данные могут свидетельствовать об отсутствии особого брачного поведения или каких-либо химических сигналов, при помощи которых самец целенаправленно и безошибочно отыскивает самку для спаривания . По-видимому, процесс поиска партнера происходит у литоральных моллюсков случайным образом Ранее высказывались предположения, что слизистые следы, которые оставляют за собой самки во время перемещений по литорали, являются аттрактантами для самцов в период спаривания [6]. Однако позже, используя лабораторные и полевые эксперименты, было доказано, что выделяемый моллюсками мукус не играет роли при поиске партнера [5]. Наши данные косвенно подтверждают результаты экспериментальных работ М . Эдвардса и М . С . Дэвиса. Значительно сложнее трактовать полученные результаты с популяционной точки зрения Из 298 копулирующих моллюсков почти треть (98 особей) половозрелых самцов фактически не участвует в размножении. В этом смысле использование ресурсов популяции, направленных на размножение, представляется далеким от оптимального
Среди оставшихся 100 собранных нами копулирующих пар в тридцати шести один из партнеров был заражен трематодами Такие пары также были исключены из анализа, поскольку паразитирование трематод в большинстве случаев ведет к кастрации
моллюска, что может вызывать изменение его репродуктивного поведения [10]. Отметим лишь, что 75 % заражения обусловлено трематодами семейства Microphallidae. оставшиеся 25 % приходятся на трематод родов Renicola, Himasthla, Paramonostomum и Parvatrema .
Партнеры оставшихся 64 гетеросексуальных пар были идентифицированы до вида двумя способами: морфологически и при помощи метода полимеразной цепной реакции (ПЦР) со специфическими для L. arcana праймерами А2 . 8 (F+R). Результаты комбинированного анализа представлены в таблице по результатам амплификации, среди 24 пар, в которых самка была морфологически идентифицирована как L. arcana, получен следующий результат: 16 пар L. arcana 9 (PCR +) x L. arcana $ (PCR +), 5 пар L. arcana 9 (PCR +) x L. saxatilis $ (PCR -) и 3 пары L. arcana 9 (PCR -) x L. arcana $ (PCR +) . Среди 40 пар, в которых самка была морфологически идентифицирована как L. saxatilis, обнаружены пары следующего состава: 19 пар L. saxatilis 9 (PCR -) х L. saxtilis $ (PCR -),
9 пар L. saxatilis 9 (PCR -) x L. arcana $ (PCR +) и 12 пар L. saxatilis 9 (PCR +) x L. saxatilis $ (PCR -) . Всего выявлено 14 межвидовых спариваний: 5 пар L. arcana 9 (PCR +) x L. saxatilis $ (PCR -) и 9 пар L. saxatilis 9 (PCR -) x L. arcana $ (PCR +) . Это — 21,8 % от общего числа гетеросексуальных пар
Характеристика партнеров в копулирующих парах видов-двойников L. saxatilis и L. arcana
?? L. saxatilis (морфологически) L. arcana (морфологически)
П^ (-) П^ (+) П^ (+) П^ (-)
ПО? (-) 19 12 5 -
ПО? (+) 9 - 16 3
Примечание. (+) — амплификация фрагмента A2 . 8, специфического для L.arcana;
HUP (-) — фрагмент A2 . 8 не амплифицирован . В каждой клетке таблицы — количество пар (шт. ) . Учтены морфологические и молекулярные данные для самок и молекулярные данные для самцов жирным отмечены данные по внутривидовым копуляциям
Очевидно, что для части моллюсков определение особей по анатомическим характеристикам не совпадает с проявлением молекулярного маркера A2 8 (амплификация маркерного ДНК фрагмента или его отсутствие) . Наличие таких «исключений», частота встречаемости которых в совместных популяциях L. saxatilis и L. arcana составляет 10-18 %, наблюдалось нами и ранее [3]. Мы полагаем, что этот факт может объясняться существованием межвидовых гибридов в природных популяциях видов-двойников О возможности такой гибридизации и жизнеспособности гибридов поколения F1 свидетельствуют экспериментальные данные, полученные Т. Варвиком с соавторами [17], которые показали, что в лабораторных условиях самки L. arcana могут гибридизоваться с самцами L. saxatilis. Кроме того, авторы утверждают, что частота межвидовых гибридов, полученных при экспериментальном скрещивании видов-двойников, достигает 20 %, хотя в природных популяциях британского побережья она не превышает 1-2 % . Низкий процент гибридных особей в природе Варвик с соавторами объясняют трудностями идентификации гибридов в природе [17] .
Полученный результат в целом свидетельствует о возможности межвидовой гибридизации L. saxatilis и L. arcana на побережье Баренцева моря, что подтверждается: а) обнаружением межвидовых спариваний, составляющих более 20 % от общего числа гетеросексуальных пар, и б) несовпадением проявления молекулярного признака и морфоанатомических характеристик у части особей в копулирующих парах
Важно отметить, что среди 149 копулирующих пар не обнаружено случаев, когда в копуляции участвовали бы самки L. compressa и самцы других близких видов литторинид, и лишь в одном случае зафиксирована гомосексуальная пара самцов L. compressa. Это существенный факт, который может свидетельствовать о том, что L. compressa практически не участвует в межвидовых спариваниях среди близких видов комплекса «saxatilis» . В то же время необходимо отметить, что копулирующие пары были собраны в средней зоне литорали. Популяция L. compressa в значительной степени приурочена к нижней ее части, и плотность поселения этого вида в зоне сбора (средняя-верхняя часть пояса макрофитов) весьма низка [1] . Таким образом, для окончательного ответа на вопрос о невозможности межвидовых копуляций L. compressa с L. saxatilis необходимы дополнительные сборы в нижней части литоральной зоны, где популяции этих двух видов обитают совместно . Однако, даже исходя из представленных данных, можно сделать вывод об отсутствии межвидовых спариваний L. compressa и L. arcana. Популяция последнего вида локализуется в верхней части литоральной зоны, как правило, выше пояса макрофитов, а плотность поселения в поясе фукоидов невысока [1] . Полученные данные, по-видимому, в первую очередь отражают пространственную «подразделенность» популяций L. compressa и L. arcana, которая может рассматриваться как эффективный барьер для межвидовых спариваний у этой пары видов
В заключение отметим, что сама по себе возможность гибридизации близких видов не удивительна . Однако в данном случае речь идет о видах-двойниках L. saxatilis и L. arcana, характеризующихся различными репродуктивными стратегиями. L. saxatilis — вид яйцеживородящий, L. arcana откладывает кладки. Если множественная гибридизация в природных популяциях двух видов будет доказана, можно будет говорить об уникальной ситуации: существовании системы из двух видов-двойников, характеризующихся интенсивным генетическим обменом и, при этом, обладающих двумя различными репродуктивными стратегиями.
Авторы благодарят научного сотрудника ИНЦ РАН В . И . Казакова за помощь в сборе материала в районе пос . Дальние Зеленцы (Баренцево море) .
Summary
Mikhailova N. A., Gracheva Yu. A., Granovitch A. I. Analysis of the interspecific crosses frequency in copulating pairs of Littorina marine gastropods of “saxatilis” complex.
The analysis of species composition in the copulating pairs from the natural populations was made on the base of morpho-anatomical and molecular approaches applicable to the identification of two “saxatilis” species complex sibling species . The existence of interspecific crosses between L. saxatilis and L. arcana was shown. The conclusion concerning the absence of spatial, behavioral and temporal forms of prezygotic reproductive isolation in both sibling species is drawn . We failed to find interspecific pairs with L. compressa as a partner in combination with the other littorinid species of “saxatilis” complex
Key words: sibling species, copulating pairs, interspecies mates, Littorina saxatilis, L. arcana, L. compressa .
Литература
1. Гранович А. И., Михайлова Н. А., Знаменская О., Петрова Ю. А. Видовой состав моллюсков рода Littorina (Gastropoda, Prosobranchia) Восточного Мурмана // Зоологический журнал . 2004. Т. 83 . № 11. С . 1305-1317.
2 . Майр Э. Популяции, виды и эволюция . М. , 1974 .
3 . Петрова Ю. А., Гранович А. И., Михайлова Н. А. Молекулярные маркеры для идентификации близких видов литторинид Баренцева моря // Морская флора и фауна северных широт Механизмы адаптации и регуляции роста организмов . Aпатиты, 2004. С . 149-156 .
4 . Coyne J. A., Orr H. A. Evolutionary genetics of speciation // Phil . Trans . R . Soc . Lond. B . 1998. Vol 353 P 287-305
5 . Edwards M., Davies M. S. Functional and ecological aspects of the mucus trails of the intertidal prosobranch gastropod Littorina littorea. // Mar Ecol Prog Ser 2002 Vol 239 P 129-137
6 . Erlandsson J., Kostylev V. Trail following, speed and fractal dimension of movement in a marine prosobranch, Littorina littorea, during a mating and nonmating season // Mar. Biol. 1995 . Vol.122 . P. 87-94 .
7 . Granovitch A. I., Sokolova I. M. Littorina arcana Hannaford Ellis, 1978 — a new record from the eastern Barents Sea // Sarsia. 2001. Vol . 86 . P. 241-243 .
8 . Hyman L. H. The Invertebrates . Vol . IV. Mollusca I . Mebraw-Hill, 1967.
9 . ItoA., Wada S. Intrasexual copulation and mate discrimination in a population of Nodilittorina radiate (Gastropoda: Littorinidae) // J . Ethol . 2006 . Vol . 24 . P. 45-49.
10 . Levri, E. P., Lively, C. M. The effects of size, reproductive condition, and parasitism on the foraging behaviour in a freshwater snail, Potamopyrgus antipodarum // Animal Behaviour 1996 . Vol. 51. P. 891-901.
11. Mikhailova N. A., Gracheva Yu. A., Backeljau T, Granovitch A. I. A tentative species specific molecular marker suggests interspecific hybridization between sibling species Littorina arcana and L. saxatilis (Mollusca, Caenogastropoda) in natural populations // Genetica, in press .
12 . Mikhailova N. A., Johannesson K. A comparison of different protocols for RAPD analysis of Littorina . // Hydrobiologia. 1998 . Vol . 378 . P. 33-42.
13 . Palumbi S. R., Lesios H. A. Evolutionary animation: how do molecular phylogenies compare to Mayr’s reconstruction of speciation patterns in the sea? // PNAS . 2005 . Vol. 102 . Supp . 1. P. 6566-6572.
14 . Reid D. G. Systematics and evolution of Littorina. London, 1996.
15 . Rolan-Alvarez E., Erlandsson J., Johannesson K., Cruz R. Mechanisms of incomplete prezygotic reproductive isolation in an intertidal snail: testing behavioural models in wild population // J Evol Biol 1999 Vol . 12 . P. 879-890.
16 Saur M. Mate discrimination in Littorina littorea (L ) and L. saxatilis (Olivi) (Mollusca: Prosobran-chia) // Hydrobiologia. 1990 . Vol . 193 . P. 261-270.
17 . Warwick T., Knight A. J., WardR. D. Hybridisation in the Littorina saxatilis species complex (Proso-branchia: Mollusca) // Hydrobiologia. 1990 . Vol . 193 . P. 109-116 .
