CC BY
13
Серия «Биология. Экология»
2008. Т. 1, № 2. С. 61-10 Онлайн-доступ к журналу: http://isu.ru/izvestia
И З В Е С Т И Я
Иркутского
государственного
университета
УДК 575.174.015.3 (594.32)
Эволюционные взаимоотношения между близкородственными видами эндемичных гастропод рода Baicalia (Mollusca, Caenogastropoda)
Т. Е. Перетолчина1, Т. Я. Ситникова1, Д. Ю. Щербаков 1,2
1 Лимнологический институт СО РАН, Иркутск,
2Иркутский государственный университет, Иркутск E-mail: [email protected]
Аннотация. Исследован генетический полиморфизм у представителей всех видов рода Baicalia на основе сравнения 196 нуклеотидных последовательностей фрагмента гена, кодирующего первую субъединицу цитохром с оксидазы (мтСО1). На основе анализа простирающегося древа установлено, что вид Baicalia carinata занимает центральное положение и является предковым для всех остальных видов рода Baicalia. Восточная популяция дала начало подвиду B. c. rugosa и виду B. turriformis. Юго-Западная популяция дала начало видам B. carinatocostata и B. dybowskiana.
Ключевые слова: генетический полиморфизм, фрагмент гена СО1, мтДНК, моллюски, род Baicalia.
Введение
Род Baicalia насчитывает четыре вида с подвидами и относится к эндемичному семейству брюхоногих моллюсков Baicaliidae, населяющему озеро Байкал. Для представителей рода Baicalia, характерно большое разнообразие форм и скульптуры раковин. Из всех видов этого рода наиболее изменчивым оказался вид Baicalia carinata W. Dyb., 1875, который, в то же время, является одним из наиболее широко распространенных в озере. Представители этого вида обитают как в открытых частях Байкала, так и в бухтах на глубинах от 5 до 100 м, и населяют песчаные или песчано-илистые грунты. Из всех ранее описанных внутривидовых форм B. carinata [4] ранг подвида сохранился только для одной - Baicalia carinata rugosa Linsh., 1909, отличающейся от других наличием слабо выраженных поперечных складок на раковине. Остальные виды рода Baicalia не так широко распространены, к ним относится вид Baicalia carinatocostata W. Dyb., 1875 Обитает в Байкале на глубине от 4 до 100 метров, на песчаных и илистых грунтах. Часто встречается совместно с B. carinata [1; 10]. Вид Baicalia dybowskiana Lindh., 1909, обитает на песчаных и песчано-илистых грунтах [1; 10]. Вид Baicalia turriformis W. Dyb., 1875, живет на стенках валунов и выходах скальных пород.
Описанные выше особенности байкалий делают их исключительно интересным объектом исследования микроэволюционных про-
цессов. В этом качестве байкалии обладают рядом преимуществ даже по сравнению с цихло-выми рыбами Великих африканских озер, которые относятся к наиболее популярным объектам для исследования моделей микроэволюции. Каринаты также принадлежат к букету видов, населяют почти непрерывную зону по периметру озера Байкал, образуя систему популяций, которые в первом приближении можно считать одномерными, но, в отличие от рыб, моллюски никогда не отрываются от дна, что очень сильно ограничивает их латеральную относительно шельфа миграцию.
Биологическая и экологическая изученность этих моллюсков, а также их широкое распространение и низкая скорость перемещения по периметру водоема, дают уникальную возможность для изучения сценариев видообразования в оз. Байкал.
Настоящая работа посвящена систематическому исследованию генетического разнообразия всех видов рода Baicalia по всему периметру оз. Байкал с помощью сравнения нуклеотидных последовательностей двух локусов, одного - ядерного, и одного - митохондриального, и изучению филогенетических взаимоотношений между B. carinata и его близкородственными видами рода Baicalia.
Материалы и методы
Сбор моллюсков осуществлялся с помощью драги в 30 точках акватории Байкала на глубине 10-40 м. (рис. 1). Сразу после разбора бен-
тосной пробы, моллюсков фиксировали 80%-ным этиловым спиртом, через сутки меняли его на 70%-ный, в котором хранили до экстракции ДНК.
Губа Богучанская {
Губа Большая коса 4
^О. Ярки
С) >Губа Дагарская С Губа Аяя С М. Понгонье
О Губа Иринда ■ Бухта Якшакан
Чивыркуйский залив
М. КрестÀ Губа Семисосенная£ Тугайский залив j Пролив Ольхонские Ворота!
Бухта Песчаная Пос. Большие Коты М. Половинный Пос. Култук
Пос. Утули!
О Лиственичный М. Туркинский Губа Таланка Бухта Гремячинск Тонкий
Пос. Танхой Мури не ка я Банка Г. Байкальск
Рис. 1. Карта-схема районов сбора представителей рода Baicalia
Геномную ДНК экстрагировали из мышц ноги моллюска по модифицированному методу Дойла и Диксона [3] и методу Соколова [11].
В качестве молекулярно-филогенетического маркера использовали фрагмент гена, кодирующего первую субъединицу цитохром-с-оксидазы (СО1) мтДНК.
Амплификацию фрагмента гена СО1 проводили методом ПЦР с помощью пары универсальных для беспозвоночных праймеров [2].
L1490: 5' - GGTCAACAAATCATAAAGATATTGG - 3' H2198: 5' - TAAACTTCAGGGTGACCAAAAAATCA - 3'
Параметры при 35 циклах амплификации были следующими: денатурация при 94 °С -60 с (5 минут на первом цикле), отжиг при 50 °С - 70 с, элонгация цепи при 72 °С - 90 с (5 минут на последнем цикле).
Продукты реакции анализировали электро-форетически в 1%-ном агарозном геле. Полосу ожидаемого размера вырезали и очищали согласно [7].
Определение нуклеотидных последовательностей (секвенирование) продуктов амплификации проводилось на автоматическом секвенаторе модели 373А (Applied Biosystem Inc., США) с набором реактивов «Thermo Se-quenase II dye terminator cycle sequencing kit» фирмы «Amersham pharmacia biotech», а также
на автоматическом секвенаторе CEQ 8800 (Beckman Coulter Inc., Германия) с набором реактивов «Dye Terminator Cycle Sequencing with Quick Start Kit» фирмы «Beckman Coulter», при помощи тех же праймеров.
Условия секвенирующей при 30 циклах амплификации включали следующие параметры: денатурация при 94 °С - 20 с, отжиг при 50 °С -20 с, элонгация при 60 °С - 4 мин. Первичную обработку расшифрованных последовательностей проводили с помощью программы BioEdit ver.5.0.9 [5].
Анализ генетических расстояний между нуклеотидными последовательностями проводили по двухпараметровой модели Кимуры [6] с помощью программы DNADist из пакета программ Phylip. Для изучения пространственной структуры и филогенетических взаимоотношений строили простирающиеся древа методом максимальной экономии, с помощью программы NetWork филогенетические древа методом максимального правдоподобия с помощью программы Phyml, для оценки генетических дистанций при этом использовали двухпараметрическую модель Кимуры [6].
Результаты и обсуждение
Нуклеотидные последовательности фрагмента митохондриального гена СО1 длиной 588 пн определены для 125 представителей B. carinata, собранных из 30 районов озера Байкал (номера доступа в GenBank: DQ436347 -DQ436441), для 10 представителей B. carinata rugosa, для 25 представителей близкородственного вида B. carinatocostata, для 15 представителей вида B. turriformis и для 11 представителей вида B. dybowskiana.
Исследование пространственно генетической структуры видов рода Baicalia проводили с помощью простирающихся деревьев, построенных по фрагменту гена СО1 мтДНК методом максимальной экономии (Maximum Parsimony, MP). На простирающемся древе (рис. 2) видно, что все исследованные улитки B. carinata формируют две группы, связанные между собой одной веткой. Группы на древе соответствуют двум большим географическим ареалам: восточный берег Байкала (от губы Аяя до Танхоя) и западный берег, включая весь Южный Байкал (от Муринской Банки до о. Ярки), которые мы назвали Восточной и Юго-Западной популяциями соответственно. Северная граница между популяциями проходит в районе дельты р. Верхняя Ангара, южная - между п. Танхой и Муринской банкой на Юго-Восточном берегу
ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ВЗАИМООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ВИДАМИ ЭНДЕМИЧНЫХ ГАСТРОПОД 69
Байкала. На древе также хорошо видно, что все близкородственные виды образуются в его разных частях от вида B. carinata и формируют самостоятельные, четко различимые группы. То же касается и B. carinata rugosa, таксономический статус которого в настоящее время не ясен. Таким образом, исследование генетических взаимоотношений гаплотипов рода Baicalia на основе минимального простирающегося древа, построенного методом максимальной экономии, показало, что вид B. carinata занимает центральное положение и является предковым для видов B. carinatocostata, B. turriformis, B. dybowskiana и подвида B. c. rugosa.
Анализ генетического разнообразия рода Baicalia по фрагменту СО1 мтДНК позволил обнаружить параллельное видообразование, которое определяется экологическими условиями. Восточная популяция дала начало B. c. rugosa, который как и B. carinata живет на песках, но прикрепляет яйца к камням, и виду B. turriformis, населяющему скалы и валуны. Юго-Западная популяция дала начало виду B. dybowskiana, обитающему на песках и мигрирующему в период размножения на каменистые грунты и виду B. carinatocostata, который обитает и размножается на песчаных грунтах.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, № 08-04-98046-р_сибирь_а.
Литература
1. Жадин В. И. Моллюски пресных вод СССР / В. И. Жадин. - М. : Изд-во Академии наук СССР, 1952. - 384 с.
2. DNA primer for amplification of mitochondrial cytochrome c oxidase subunite I from diverse metazoan invertebrates / O. Folmer [et al.] // Molecular Marine Biology and Biotechnology. - 1994. - Vol. 3. -P. 294-299.
3. Doyle J. J. Preservation of plant samples for DNA restriction endonuclease analysis / J. J. Doyle,
E. Dickson // Taxon. - 1987. - Vol. 36. - P. 715-722.
4. Dybowski B. Beiträge zur Kenntnis der Baikalmollusken / B. Dybowski, J. Grochmalicki // Buchdruckerei der keiserlichen Academie der Wissenschaften. Petrograd. - 1914. - Vol. 19, №. 2. - P. 286-322.
5. Hall T. A. Bio Edit Sequence Alignment Editor. Version 5.0.9. / T. A. Hall. - Department of Microbiology. North Carolina State University, 1999.
6. Kimura M. A simple method for estimating evolutionary rates of base substitution through com-pararative studies of nucleotide sequences / M. Kimura // Journal Mol. Evol. - 1980. - Vol. 16. - P. 111-20.
7. Maniatis T. Molecular Cloning: a laboratory manual / T. Maniatis, E. F. Fritch, J. Sambrook. - New York: Cold Spring Harbor Laboratory, 1982. - 545 p.
'•Aï*
B. carinatocostata
В. с. rugosa
О
АО
О О*
о
Oq О- ? Q Юго-Западная популяция
°п-ОУо(р ям"
ЧУь
о
°6э
О"
О
оО.
О
Восточная популяция В. carinata
В. 1иг^огт1Б
Рис. 2. Простирающееся древо, построенное на основе фрагмента гена СО1 мтДНК методом максимальной экономии для всех видов рода Bаicаliа
Серия «Биология. Экология» 2008. Т. 1, № 2
8. Nazar R. N. Nucleotede sequence of rainbow trout (Salmo gairdneri) ribosomal 5,8s ribonucleic acid / R. N. Nazar, K. L. Roy // J. Biol. Chem. - 1978. -Vol. 153. - P. 395-399.
9. Salim M. Nucleotide sequence of Xenopus laevis 18S ribosomal RNA inferred of gene sequence / M. Salim, B. E. Maden // Nature (London). - 1981. -Vol. 291. - P. 205-208.
10. Sitnikova T. Ya. Reproduction, duration of embryogenesis, egg capsules and protoconchs of gas-
tropods of the familia Baicaliidae (Caenogastropoda) endemic to Lake Baikal / T. Ya. Sitnikova, P. Roepstorf,
F. Riedel // Malacologia. - 2001. - Vol. 43, №. 1. -P. 59-85.
11. Sokolov E. P. An improved method for DNA isolation from mucopolysacchride-rich molluscan tissues / E. P. Sokolov // J. Moll. Stud. - 2000. - Vol. 66. -P. 573-575.
Evolution relationships between closely relared endemic gastropod species of genus Baicalia (Mollusca, Caenogastropoda)
T. E. Peretolchina1, T. Ya. Sitnikova1, D. Yu. Sherbakov1’2
'Institute of Limnology, Irkutsk 2Irkutsk State University, Irkutsk
Abstract. Genetic polymorphism for all representatives of genus Baicalia was studied on basis of 196 nucleotide sequences alignment of mitochondrial cytochrome c oxidase subunit 1 (mtCO1). Analysis of minimum spanning tree suggests that B. carinata is ancestral species for rest species of genus Baicalia. B. c. rugosa, and B. turriformis descend from East Population B. carinatocostata and B. dybowskiana descend from South-West Population of B. carinata species.
Key words: genetic polymorphism, partial CO1, mtDNA, mollusk, genus Baicalia.
Перетолчина Татьяна Евгеньевна Лимнологический институт СО РАН 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3, а/я 278 кандидат биологических наук,
научный сотрудник лаборатории геносистематики тел. (395 2) 42-29-23, факс (395 2) 42-54-05 Е-таіІ: [email protected]
Ситникова Татьяна Яковлевна Лимнологический институт СО РАН 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3 доктор биологических наук
старший научный сотрудник лаборатории биологии водных беспозвоночных тел. (395 2) 42-82-18, факс (395 2) 42-54-05 Е-таіІ: [email protected]
Щербаков Дмитрий Юрьевич
Лимнологический институт СО РАН
664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3, а/я 278
доктор биологических наук
зав. лабораторией геносистематики
тел. (395 2) 42-29-23, факс (395 2) 42-54-05
Е-таИ: [email protected]
Peretolchina Tatyana Evgenyevna Institute of Limnology SB RAS 664033, Irkutsk, 3, Ulan-Batorskaya St.
Ph. D. in Biology, research scientist,
Laboratory of Gene Systematics phone: 42-65-04, fax:42-54-05 E-mail: [email protected]
Sitnikova Tatiana Yakovlevna Institute of Limnology SB RAS 664033, Irkutsk, 3, Ulan-Batorskaya St.
D. Sc. in Biology, Head of Laboratory of Biology of Water Invertebrates
phone: (395 2) 42-82-18, fax: (395 2) 42-54-05 Е-mail: [email protected]
Scherbakov Dmitriy Yurievitch Institute of Limnology SB RAS 664033, Irkutsk, 3, Ulan-Batorskaya St.
D. Sc. in Biology, Head of Laboratory of Gene Systematics phone: (395 2) 42-29-23, fax: (395 2) 42-54-05 E-mail: [email protected]
