Генетическая дифференциация скальных полёвок в горностепныхрайонах северо-востока Внутренней Азии Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Серия «Биология. Экология»

Онлайн-доступ к журналу: http://isu.ru/izvestia

2015. Т. 12. С. 23-30

Иркутского государственного университета

И З В Е С Т И Я

УДК 575.174.015.3:599.323.5

Генетическая дифференциация скальных полёвок в горностепных районах северо-востока Внутренней Азии

Ю. Н. Литвинов, С. А. Абрамов, О. В. Чертилина, Е. П. Симонов, Н. В. Лопатина

Институт систематики и экологии животных СО РАН, Новосибирск E-mail: litvinov@eco.nsc.ru

Аннотация. На основе изучения изменчивости фрагмента гена цитохром b исследованы филогенетические взаимоотношения пяти видов полёвок рода Alticola. Для реконструкции филогенетических отношений использован метод максимального правдоподобия (ML) и байесовский филогенетический анализ. Полученные результаты существенно дополняют картину филогенетических отношений в роде Alticola за счёт включения в анализ тувинской A. tuvinicus и ольхонской A. olchonensis полёвок. Показано, что ольхонская полёвка представляет собой валидный вид, составляя с хангайской полёвкой A. semicanus и A. tuvinicus единую группу близкородственных видов, сестринскую к плоскочерепной полёвке A. strelzowi.

Ключевые слова: скальные полёвки, филогенетические отношения, ген цитохрома b.

Многолетние изучения изменчивости в популяциях диких грызунов горных и равнинных степей Внутренней Азии позволяют понять направление эволюционных изменений в разных по историческому происхождению и территориально-биотопическим предпочтениям группах животных. Филогенетические связи в природных популяциях скальных полёвок можно объяснить, изучая процессы изменения генетической структуры популяцион-ных группировок, связанных между собой хотя бы частично процессами обмена генетической информацией. Эволюционные преобразования, связанные с изменчивостью, в основном регистрируются в таксонах низкого ранга - родах, видах и подвидах. Отмеченные явления охватывают сравнительно небольшие во временном масштабе периоды [5]. Для иллюстрации подобных процессов можно использовать вычисление генетических расстояний между нуклеотидными последовательностями с кластерным анализом, показывающим уровень сходства или различия между сравниваемыми группами полёвок.

Известные материалы по филогении и таксономии скальных полёвок достаточно разрозненны и различаются по времени описания и взглядам на

Введение

проблему разных исследователей [4; 9]. Попытка изучить видовую и внутривидовую изменчивость территориальных группировок в роде Alticola была предпринята ранее с помощью морфологических методов [2; 3; 6]. В этих исследованиях были заложены основы современной видовой систематики скальных полёвок, обитающих на территории юга Сибири и северной Монголии. Особый интерес представляет систематическое положение ольхон-ской полёвки A. olchonensis, имеющей изолированный ареал. Как видовая, так и подвидовая системы рода Alticola нуждаются в корректировке и ревизии в связи с появлением новых данных. На современное систематическое положение группы скальных полёвок, несомненно, оказывают влияние их приуроченность к уникальным сухим скальным биотопам, предоставляющим адаптивные преимущества для этих зверьков [9], а также исторические особенности размещения этих форм в пространстве. Их палеонтологические находки (относящиеся к раннему и позднему плейстоцену) из азиатской части России анализируются ныне многими исследователями [11].

Материалы и методы

Для выявления филогенетических связей скальных полёвок использована ДНК, выделенная из тканей 22 экземпляров зверьков, отловленных в разных районах Северного Казахстана, Юго-Восточного и Центрального Горного Алтая, Западной Тувы, Прибайкалья (острова оз. Байкал), Северной Монголии (окр. оз. Хубсугул). У экземпляров, хранящихся в музейных коллекциях, выделение ДНК проводили при помощи 20%-ной ионно-обменной смолы «Chelex» (BioRad) из когтевых фаланг пальцев по стандартной методике, включающей инкубацию гомогенизированной ткани с протеиназой K и 1%-ным детергентом SDS и последующей депротеинизацией фенол-хлороформом [12].

В большинстве случаев фрагмент митохондриального гена цитохрома b длиной около 900 пар нуклеотидов (далее пн) амплифицировали при помощи пары праймеров CBU и USBL [9], для сильно деградированной ДНК из музейных экземпляров использовали три пары праймеров: CBU/H15162ALT [9], L15128ALT/H15419ALT и L15402ALT/USBL [1], позволяющих получить короткие перекрывающиеся фрагменты (примерно по 350 пн) интересующего нас участка. Контроль продуктов ПЦР осуществляли при помощи электрофореза в 1%-ном агарозном геле (Biozym Scientific, Германия). Секве-нирование проводили на автоматическом секвенаторе ABI 3130XL (Applied Biosystems, США) с применением наборов BigDye (Applied Biosystems, США) и праймеров, использовавшихся при амплификации. Полученные последовательности депонированы в базу данных GenBank (табл.).

Нуклеотидные последовательности цитохрома b для ряда других видов были получены из базы данных GenBank (см. табл.). В качестве внешней группы использованы последовательности этого гена у красно-серой полёвки Myodes rufocanus. Выравнивание нуклеотидных последовательностей проводили с помощью программы BioEdit v.7.0 [7], их итоговая длина составила 783 пн.

Таблица

Характеристика материалов, использованных для определения филогенетических отношений полёвок рода Alticola

Вид Локалитет n Номер GenBank

Alticola Россия, Республика Тыва, окр. оз. Торе-холь 5 KR869158, KR869159, KR869160, KR869161, KR869167

semicanus Монголия, национальный парк Хубсугул 4 KJ556709, KJ556710, KJ556711, KJ556712

Монголия, Уверхангай 1 KJ556619

Alticola tuvinicus Монголия, окр. оз. Хубсугул 2 KR869162, KR869163

Alticola olchonensis Россия, оз. Байкал, о. Ольхон, бух. Загли 3 KR869164, KR869165, KR869166

Россия, Республика Алтай, Онгудайский р-н, окр. оз. Теньга 1 JN032745

Россия, Республика Алтай, Кош-Агачский р-н, плато Укок 1 JN032744

Россия, Республика Алтай, Монгун-Тайгинский р-н, р. Каргы 1 JN032746

Alticola Россия, Республика Алтай, Монгун-Тайгинский р-н, р. Моген-Бурен 3 JN032747, JN032748, JN032749

strelzowi Казахстан, Павлодарская область Баянаульский р-н, окр. пос. Баянаул 1 JN032752

Казахстан, Карагандинская область, Каркаралинский р-н, окр. г. Каркаралинска 1 JN032751

Казахстан, Карагандинская область, Жана-аркинский р-н, окр. пос. Атасу 1 JN032750, JN032755

Казахстан, Карагандинская область, Уланский р-н, окр. с. Таинты 2 JN032753, JN032754

Alticola albicaudus Пакистан 3 KJ556729.1, KJ556726.1, KJ556627.1

Alticola argentatus Китай 2 KJ556727.1, KJ556628.1

Alticola montosa Пакистан 1 KJ556728.1

Alticola lemminus Россия, Чукотский автономный округ 3 KJ556635.1, KJ556634.1, KJ556633.1

Alticola barakschin Монголия 7 KJ556693.1, KJ556691.1, KJ556668.1, KJ556645.1, KJ556640.1, KJ556682.1, KJ556680.1

Примечание. Выделены номера ОепБапк, соответствующие материалам, собранным авторами.

Для реконструкции филогенетических отношений использовали метод максимального правдоподобия (ML) и байесовский филогенетический анализ. Выбор моделей, наилучшим образом описывающих эволюцию изучаемых последовательностей, осуществляли в программе TOPALi v.2.5 [13]. Программа MetaPIGA 3.0 [8] использовалась для построения филогенетического дерева с использованием метода ML на основе модели Тамуры-Нея (TrN+G). Программа MrBayes v.3.2.1 [10] использовалась для байесовского анализа на основе модели GTR+G.

Результаты и обсуждение

Проанализированные последовательности цитохрома b пяти видов скальных полёвок (Alticola semicanus, A. tuvinicus, A. olchonensis, A. strelzowi и A. barakschin), отловленных в районах наших исследований, позволяют сформировать предварительную гипотезу об их филогенетических отношениях. Ольхонская полёвка рассматривается как отдельный вид, поскольку имеет изолированный ареал и значительно различается морфологически с другими формами [3].

На основе изменчивости фрагмента гена цитохром b (длиной 783 пн) было получено филогенетическое дерево (рис.), отражающее взаимоотношения девяти видов рода Alticola. Согласно полученной реконструкции, род разбивается на три группы, первая из которых включает A. semicanus, A. tuvinicus, A. olchonensis, A. strelzowi и A. barakschin, вторая состоит из A. montosa, A. argentatus и A. albicaudus, A. lemminus же кластеризуется отдельно.

Монофилия всего рода имеет высокую статистическую поддержку (100 %). Внутри первой группы выделяются две клады, первая из которых представлена единственным видом A. barakschin, все прочие же образуют отдельную кладу со 100%-ной поддержкой, группировка внутри которой соответствует видам, выделяемым на основе морфологических признаков. При этом байесовский анализ показал, что A. semicanus и A. tuvinicus являются сестринскими видами и формируют сестринскую группу по отношению к A. olchonensis, тогда как согласно результатам метода максимального правдоподобия A. semicanus является сестринским таксоном по отношению к группе A. tuvinicus - A. olchonensis. Объединение этих трёх видов в одну группу статистически поддержано в обоих случаях (97/0,92), тогда как объединение A. tuvinicus - A. olchonensis на ML-дереве малодостоверно (51), а группировка A. semicanus - A. tuvinicus в байесовском анализе имеет достаточно высокую поддержку (0,82), согласуясь с представлениями о структуре ареалов этих форм. Ареалы A. tuvinicus и A. semicanus практически перекрываются на территории Тувы и Монголии, тогда как ареал A. olchonensis изолирован и отделён от первых сотнями километров.

А.в1ге1гот -—А.5ет1сапи&

А.0!С!ЮП6П$1$

ЬагакзЫп

-Л А агдеМаШ5

—^ А.а1ЫсаиЬиг -А,вщвп1аШ

— АтолКгеэ А/етттиз

■ Муос1е$ гиАэеэпия

Ч

_

А.Ьтттиз А.ЬагакзЫп ¡л—'—А.ветюапив '—■—| А.шмпкиз

——^ А.о1сЬопепз15

-А ^ге/гонг!

А./поМова

- AэлJeлfэíus

А-Згдеп1з<и$ -—А.а1Ысаи<1и$

Муодсъ гЫосапиз

Рис. Дендрограмма филогенетических отношений рода Alticola по последовательностями гена цитохром Ь (783 пн), построенная по методу максимального правдоподобия (слева) и с применением байесовского филогенетического анализа (справа).

Полученные результаты согласуются с полученными Б. Коли с соавторами [11] и отчасти В. С. Лебедевым с соавторами [9], хотя последние исследовали существенно меньшее число видов рода ЛШев^. При включении в филогенетический анализ, основанный на митохондриальной ДНК, других видов трибы Муо&ш Л. Ытттш группируется совместно с представителями рода Myodes [11], что объясняет слабую статистическую поддержку этого вида на полученном нами дереве. При анализе ядерных маркеров Л. 1етттш группируется совместно с другими представителями рода ЛШео1а, являясь при этом сестринским таксоном по отношению ко всем остальным видам, что может быть объяснено гибридизацией и интрогрессией мтДНК в прошлом [11]. Во всех остальных аспектах наши данные совпадают с результатами Б. Коли с соавторами [11], дополняя и расширяя их за счёт включения в анализ Л. tuvinicus и Л. olchonensis.

Заключение

Таким образом, нам удалось показать, что ольхонская полёвка действительно представляет собой валидный вид, обособленный от других скальных полёвок северо-востока Внутренней Азии не только в морфологическом, но и в филогенетическом плане. При этом Л. semicanus, Л. tuvinicus и Л. olchonensis составляют единую группу близкородственных видов, сестринскую к плоскочерепной полёвке Л. strelzowi. Наши данные также подтверждают результаты предыдущих исследований, обосновывающие неправомерность выделения плоскочерепной полёвки в отдельный род или под-род Platycranius [9].

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 14-04-00121-а).

Список литературы

1. Генетическое разнообразие плоскочерепной полевки (Alticola strelzowi (Kastschenko, 1899)) по данным об изменчивости гена цитохрома b / О. В. Чертили-на [и др.] // Генетика. - 2012. - Т. 48, № 3. - С. 352-360.

2. Изменчивость и систематика скальных полёвок (Alticola s. str.) Монголии, Тувы, Прибайкалья и Алтая / О. Л. Россолимо [и др.] // Зоол. журн. - 1988. - Т. 67, № 3. - С. 426-437.

3. Литвинов Ю. Н. Морфологическая изменчивость изолированных популяций ольхонской полевки Alticola olchonensis (Rodentia, Arvicolidae) с островов Байкала / Ю. Н. Литвинов, Н. И. Литвинов, А. А. Поздняков // Зоол. журн. - 2000. -Т. 79, № 1. - С. 71-79.

4. Млекопитающие России: систематико-географический справочник / И. Я. Павлинов, А. А. Лисовский (ред.). - М. : Т-во науч. изд. КМК, 2012. - 604 с.

5. Ратнер В. А. О некоторых молекулярных критериях дивергенции, конвергенции и систематики / В. А. Ратнер // Проблемы эволюции. - Новосибирск : Наука, 1972. - Т. 2. - C. 5-27.

6. Россолимо О. Л. Таксономический статус тувинской полевки Alticola (A.) tuvinicus Ognev (Mammalia: Arvicolinae) / О. Л. Россолимо, И. Я. Павлинов, Г. И. Шен-брот // Биол. науки. - 1992. - № 6. - С. 58-62.

7. Hall T. A. BioEdit: a user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. / T. A. Hall // Nucl. Acids Symp. - 1999. -Vol. 41. - P. 95-98.

8. Helaers R. MetaPIGA v2.0: maximum likelihood large phylogeny estimation using the metapopulation genetic algorithm and other stochastic heuristics [Electronic resource] / R. Helaers, M. Milinkovitch // BMC Bioinformatics. - 2010. - N 11. - P. 379. -URL : http://biomedcentral.com/1471-2105/11/379

9. Molecular phylogeny of the genus Alticola (Cricetidae, Rodentia) as inferred from the sequence of the cytocrome b gene / V. Lebedev [et al.] // Zoologica Scripta. -2007. - Vol. 36, N 6. - P. 547-563.

10. Mrbayes 3.2: Efficient bayesian phylogenetic inference and model choice across a large model space. / F. Ronquist [et al.] // Syst. Biol. - 2012. - Vol. 61, N 3. -P. 539-542.

11. Multilocus systematics and non-punctuated evolution of Holarctic Myodini (Rodentia: Arvicolinae) / B. A. Kohli [et al.] // Molecular phylogenetics and evolution. -2014. - N 76. - P. 18-29.

12. Sambrook J. Molecular Cloning: A Laboratory Manual / J. Sambrook, E. Fritsch, T. Maniatis - N. Y. : Cold Spring Harbor Lab. Press, 1989. - 398 p.

13. TOPALi: Software for Automatic Identification of Recombinant Sequences within DNA Multiple Alignments / I. Milne [et al.] // Bioinformatics - 2004. - Vol. 20, N 11. - P. 1806-1807.

Genetic Differentiation of High-Mountain Voles from Mountain Steppe Regions of Northeast Inner Asia

Yu. N. Litvinov, S. A. Abramov, O. V. Chertilina, E. P. Simonov, N. V. Lopatina

Institute of Systematics and Ecology of Animals SB RAS, Novosibirsk

Abstract. In order to elucidate the phylogenetic relationships within Alticola voles mitochondrial cytochrome b (cyt b) gene variation was estimated in 5 Alticola species. Maximum likelihood (ML) and Bayesian phylogenetic analysis were used for the reconstruction of phylogenetic relationships. The results are substantially complete the picture of the phylogenetic relationships in the genus Alticola by the inclusion of Tyva vole A. tuvinicus and Olkhon vole A. olchonensis in the analysis. It is shown that A. olchonensis is a valid species, which is associated with Mongolian silver vole A. semicanus and A. tuvinicus in closely related species group sister to the flatheaded vole A. strelzowi.

Keywords: high-mountain voles, phylogenetic relationships, cytochrome b gene.

Литвинов Юрий Нарциссович

доктор биологических наук,

заведующий лабораторией

Институт систематики и экологии

животных СО РАН

630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, 11

тел.: (383) 217-09-86

факс: (383) 217-09-73

e-mail: terio@eco.nsc.ru

Litvinov Yuri Narzissoviсh

Doctor of Sciences (Biology)

Head of Laboratory

Institute of Systematics and Ecology

of Animals SB RAS

11, Frunze st., Novosibirsk, 630091

tel.: (383) 217-09-86

fax:(383) 217-09-73

e-mail: terio@eco.nsc.ru

Абрамов Сергей Александрович

кандидат биологических наук,

тарший научный сотрудник

Институт систематики и экологии

животных СО РАН

630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, 11

тел.: (383) 217-09-86

факс: (383) 217-09-73

e-mail: litvinov@eco.nsc.ru

Abramov Sergey Alexandrovich Candidate of Sciences (Biology) Senior Research Scientist Institute of Systematics and Ecology of Animals SB RAS 11, Frunze st., Novosibirsk, 630091 tel.: (383) 217-09-86 fax:(383) 217-09-73 e-mail: litvinov@eco.nsc.ru

Чертилина Ольга Владимировна

младший научный сотрудник

Институт систематики и экологии

животных СО РАН

630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, 11

тел.: (383) 217-09-86

факс: (383) 217-09-73

e-mail: winny@mail.ru

Симонов Евгений Петрович

кандидат биологических наук,

научный сотрудник

Институт систематики и экологии

животных СО РАН

630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, 11

тел.: (383) 217-09-86

факс: (383) 217-09-73

e-mail: snake_pnz@mail.ru

Chertilina Olga Vladimirovna Junior Research Scientist Institute of Systematics and Ecology of Animals SB RAS 11, Frunze st., Novosibirsk, 630091 tel.: (383) 217-09-86 fax:(383) 217-09-73 e-mail: winny@mail.ru

Simonov Evgeniy Petrovich

Candidate of Sciences (Biology),

Research Scientist

Institute of Systematics and Ecology

of Animals SB RAS

11, Frunze st., Novosibirsk, 630091

tel.: (383) 217-09-86

fax:(383) 217-09-73

e-mail: snake_pnz@mail.ru

Лопатина Наталья Васильевна

младший научный сотрудник

Институт систематики и экологии

животных СО РАН

630091, г. Новосибирск, ул. Фрунзе, 11

тел.: (383) 217-09-86

факс: (383) 217-09-73

e-mail: winny@mail.ru

Lopatina Natalia Vasilyevna Junior Research Scientist Institute of Systematics and Ecology of Animals SB RAS 11, Frunze st., Novosibirsk, 630091 tel.: (383) 217-09-86 fax:(383) 217-09-73 e-mail: winny@mail.ru