CC BY
21
© А.А. Сычев, Э.А. Снегин
Белгородский национальный исследовательский университет
Выявлена микропространственная дифференциация популяционных генофондов наземного моллюска Helicopsis striata (Müller, 1774) в разнообразных условиях юга Среднерусской возвышенности, что вызвано фрагментарностью местообитаний и различиями в интенсивности потока генов между демами. При этом пространственная дифференциация H. striata, вследствие особенностей его биологии, оказалась самой высокой среди других наземных моллюсков района исследования. Показано, что самыми уязвимыми можно считать популяции с низкой изменчивостью и слабой дифференциацией генофонда. также особо отмечается методологическая важность анализа внутрипопуляционной структуры видов в работах по оценке состояния популяционных генофондов, поскольку единичные выборки из отдельных демов не могут показывать истинный характер генетической структуры популяций.
Ф ключевые слова: наземный моллюск; Helicopsis striata; микропространственная генетическая структура; Среднерусская возвышенность.
УДК 594.382, 575.2 DOI: 10.17816/ecogen14228-38
микропространственная структура популяционных генофондов наземного моллюска helicopsis striata (pulmonata, hygromiidae) в условиях юга среднерусской возвышенности
ВВЕДЕНИЕ
Пространственная генетическая дифференциация является важным маркером состояния природных популяций в изменчивых условиях среды [21]. Так, с увеличением биотопического разнообразия в популяции формируются устойчивые в пространстве и времени внутрипопуляционные группировки (демы, или субпопуляции), каждая из которых адаптируется к локальным условиям [3, 4, 14]. Это значительно увеличивает жизнеспособность популяции и способствует ее дальнейшему выживанию. При этом ключевым моментом в формировании структуры можно считать появление генетической обособленности демов, что является прямым следствием нарушения панмик-сии и приводит к временной стабилизации внутрипопуляционной структуры.
Высокоагрегированный тип пространственной структуры и низкая миграционная активность делают наземных моллюсков хорошими модельными объектами при исследовании внутрипопуляционной структурированности [6]. В настоящее время известны исследования микропространственной генетической структуры на примере таких моллюсков, как Trochoidea geyeri (Soos, 1926) по Л4Р0-маркерам [23], Pomatias elegans (Müller, 1774) по изоферментам [22], Helix aspersa (Müller, 1774) по изоферментам и микросателлитам [16, 17, 24], Brephulopsis bidens (Krynicky, 1883) по изменчивости конхиологических признаков [5, 19] и др. Тем не менее многие вопросы генетической структурированности популяций наземных моллюсков остаются открытыми. В частности, одним из наиболее актуальных направлений является оценка дифференциации популяционных генофондов редких и уязвимых видов моллюсков, которая может стать важной частью работ по сохранению и восстановлению их популяций. В этом отношении особого внимания заслуживают популяции ксерофильного моллюска Helicopsis striata, обитающего в условиях пересеченного ландшафта юга Среднерусской возвышенности и охраняемого на территории Белгородской области России [13].
Цель исследования: провести анализ микропространственной дифференциации генетической структуры популяций H. striata, обитающих в гетерогенных условиях юга Среднерусской возвышенности.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Поступила в редакцию 25.03.2016 Принята к публикации 07.06.2016
Исследование внутрипопуляционной дифференциации генофонда H. striata проводили в осенние периоды 2011 и 2012 гг. Для этого на территории юга Среднерусской возвышенности было выбрано шесть модельных популяций (рис. 1), приуроченных к биотопам с разными ландшафтно-кли-матическими условиями (табл. 1).
В каждой популяции H. striata на равном удалении через 150—200 м было заложено по пять экспериментальных площадок площадью 25 м2 каждая, в пределах которых осуществляли сбор особей. В связи с относительно большим расстоянием между точками сбора полагали, что каждая площадка соответствует отдельному дему. Таким образом, было исследовано 30 демов из 6 популяций H. striata.
генетические основы эволюции экосистем
29
Рис. 1. Расположение исследуемых популяций H. striata на территории юга Среднерусской возвышенности: 1 — «Белая гора»;
2 — «Беленихино»; 3 — «Губкин»; 4 — «Засосна»; 5 — «Верхние Лубянки»; 6 — «Осадчее»
Fig. 1. The location of the studied H. striata populations in the South of Mid-Russian Upland: 1 — "White mountain"; 2 — "Belenihino";
3 — "Gubkin"; 4 — "Zasosna"; 5 — "High Lubjanki"; 6 — "Osadche"
Таблица 1
описание пунктов сбора H. striata Description of H. striata collection sites
Популяция Координаты Описание
«Белая гора» 50°37'29,65''С 36°37'09,64''В Популяция изолированного типа (колония), расположена на крутом северо-западном берегу р. Северский Донец лесостепной зоны. Ландшафт сильно фраг-ментирован в результате естественных и антропогенных процессов. Характерны кальцефитные и сухие луга. Различия между участками выражены
«Беленихино» 50°54'48,11''С 36°38'34,49''В Колония, расположена на крутом восточном берегу р. Саженский Донец лесостепной зоны. Ландшафт сильно фрагментирован оврагами. Распространены сухие луга и степи с кальцефитными элементами и представителями флоры «сниженные Альпы». Различия между участками выражены
«Губкин» 51°17'40,59''С 37°32'24,21''В Популяция полуизолированного типа, расположена на восточном берегу р. Великий Колодезь (Верхнее Поосколье) лесостепной зоны. Ландшафт фрагментирован в результате хозяйственной деятельности. Распространены ковыльные степи с кальцефитными элементами и представителями флоры «сниженные Альпы». Различия между участками выражены
«Засосна» 50°37'48,29''С 38°25'21,31''В Популяция полуизолированного типа, расположена на выположенном и испещренном эрозионными промоинами северном берегу р. Тихая Сосна степной зоны. Характерны ковыльные степи и сухие луга с кальцефитами и представителями «сниженных Альп». Различия между участками незначительны
«Верхние Лубянки» 50°27'44,49''С 37°43'59,22''В Колония, расположена на крутом восточном склоне балки правого берега р. Оскол (Среднее Поосколье) степной зоны. Ландшафт фрагментирован оврагами. Распространены ковыльные степи и сухие луга с кальцефитными элементами и представителями флоры «сниженные Альпы». Различия между участками выражены
«Осадчее» 50°21'04,30''С 38°56'43,52''В Популяция полуизолированного типа, расположена на выположенном северо-восточном берегу р. Черная Калитва степной зоны. Распространены ковыльные степи с элементами «сниженных Альп». Различия между участками отсутствуют
00 11 01 01 11 00 11 00 00 01 11 00 01
Cr EST7
44 34 34 34 33 44 33 34 34 33 33 44 34
Генотипы
EST5
EST6
EST8
Рис. 2. Электрофореграммы, демонстрирующие наличие 0-аллелей в локусе EST5 (а) популяции «Засосна» и локусе EST6 популяции «Белая гора» (b). Указаны генотипы особей по этим локусам Fig. 2. Elektoroforegramm demonstrating the presence of 0-alleles at the locus EST5 (a) population "Zasosna" and the locus EST6 population "White mountain" (b). Indicate the genotypes of individuals at these loci
Экстракцию изоферментов проводили из ноги моллюска. Далее проводили диск-электрофорез изоферментов в 10 %-м полиакриламидном геле (камера VE-3, Helicon). Окрашивание блоков на выявление неспецифических эстераз осуществляли в субстратной смеси: трис-HCl (рН = 7,4), а-нафтилацетат, прочный красный TR; для выявления супероксиддисмутаз — калий-фосфатный буфер (рН = 7,8), НТС, ФМС. Необходимо отметить, что со времени первых публикаций по генетике H. striata [10, 12] нами были получены новые данные по изменчивости генофондов популяций этого моллюска и характере аллельного разнообразия локусов алло-зимов. Так, в ранее используемом локусе EST5 (неспецифические эстеразы) нами обнаружен пятый аллель, который не имеет ферментативной активности (так называемый 0-аллель), в связи с чем гомозиготы по нему не проявляются на гелевом блоке, а гетерозиготы представлены лишь одной полосой по активному аллелю (рис. 2). Кроме того, 0-аллель (также пятый по счету) обнаружен и в локусе EST6. Причем зафиксирован он был только в популяции «Белая гора». В случае если в популяции по какому-либо локусу фиксировался 0-ал-лель, определение гетерозигот и гомозигот по проявляющемуся аллелю мы проводили по степени его активности относительно других особей. При этом мы исходили из принципа, что гомозиготы на электрофореграммах проявляются более интенсивно по сравнению с гетеро-
зиготами, поскольку концентрация фермента у них более высокая.
Таким образом, в качестве генетических маркеров популяционной структуры H. striata использовали четыре локуса неспецифических мономерных эстераз (EST5 с пятью аллелями, EST6 с пятью аллелями, EST7 с двумя аллелями, EST8 с тремя аллелями) и два локуса суперок-сиддисмутазы (SOD2-димер с двумя аллелями и SOD7-мономер с тремя аллелями) (рис. 3). Наследование всех аллелей осуществлялось по кодоминантному типу.
Выделение ДНК проводили с использованием проте-иназы К с дальнейшей очисткой смесью хлороформ — изопентанол [12, 20]. В качестве ДНК-маркеров задействованы /SS^-ампликоны по праймеру UBC811 (5'-[GA]8C-3'). Объем ПЦР-смеси составлял 20 мкл, содержащей 20 нг геномной ДНК, 10 мМ трис-HCl (pH = 8,3), 50 мМ KCl, 4 мМ MgCl2, 0,25 мМ dNTP, 0,5 мкМ праймера, 1 единицу Taq ДНК-полимеразы. Реакция проходила на амплификаторе MyCycler (BioRad, США) в следующих условиях: «горячий старт» — 2 мин/94 °C, 40 циклов (денатурация — 30 с/94 °C, отжиг праймера — 30 с/55 °C, синтез — 2 мин/72 °C), дополнительный синтез — 10 мин/72 °C. Продукты ПЦР разделяли с помощью электрофореза в 2 %-м агарозном геле с использованием ТАЕ-буфера, 100 В — 45 мин. Блоки окрашивали бромистым этидием. По картинам электрофореза составляли бинарные матрицы, где при-
a
Рис. 3. Графическое изображение исследуемых локусов изоферментов и соответствующих им комбинаций аллелей Fig. 3. The graphic image of the investigated allozyme loci and their associated combinations of alleles
сутствие полосы обозначалось как «1» (аллельp), отсутствие «0» (аллель q). Ранее у H. striata было выделено 17 локусов с использованием праймеров UBC811. Полученные ДНК-паттерны и их расшифровка приведены в публикации Э.А. Снегина [11].
Всего по аллозимам определены генотипы у 757 особей, а по /SSR-локусам — у 701 особи H. striata.
Математическая обработка полученных данных проводилась с помощью пакета программ Excel
(Microsoft Office), GenAlEx v.6.5 [21] и F-stat [18].
Полигоны Дебеца были построены в программе Statistica 6.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полигоны Дебеца, построенные на основании частот аллелей исследованных изоферментных локусов, приведены на рис. 4.
Рис. 4. Полигоны Дебеца, построенные по частотам аллелей изоферментных и /SSR-локусов, в демах (1-5) популяций H. striata Fig. 4. Debec polygons, built on alleles frequencies of allozymes and /SSR loci in the dem (1-5) of H. striata populations
Рис. 5. Значения частот аллелей изоферментных локусов в де-
мах популяции «Белая гора» Fig. 5. Values of allelic frequencies of allozyme loci in the dem population is "White mountain"
Исходя из полученных данных, для популяций «Осад-чее» и «Губкин» в силу отсутствия изменчивости по всем исследованным локусам изоферментов не представляется возможным оценить уровень внутрипопуляционной структурированности. В остальных популяциях наблюдается разная степень генетической дифференциации демов по частотам аллелей. Например, в популяции «Белая гора» частота первого аллеля EST7-1 в первом деме составляет 0,731, а уже в пятом деме по нему на-
блюдается стопроцентная гомозиготность. По аллелю SOD2-2 отмечаются еще более выраженные изменения между демами этой популяции: в первой субпопуляции этот аллель не обнаружен, в то время как в пятом деме его частота составила 0,430. Столь значительные изменения частот аллелей в пределах одной популяции наблюдаются и по другим локусам, а также в других исследованных популяциях моллюска. При этом во многих локусах зафиксирована клинальная или синусоидальная (сначала плавно увеличивается/уменьшается, затем плавно уменьшается/увеличивается) изменчивость частот аллелей в популяциях (рис. 5).
Полученные данные могут свидетельствовать о низком уровне потока генов в пределах локальных популяций.
Доля полиморфных локусов (р) в демах популяций также оказалась не постоянной. Так, в популяции «Верхние Лубянки» р варьирует от 33,3 % (дем № 4) до 66,7 % (демы № 1 и 3). Как и по частотам аллелей, по показателям генетической изменчивости отдельных изоферментных локусов между демами наблюдаются значительные отличия.
Однако по средним значениям остальных показателей генетической изменчивости (за исключением коэффициента инбридинга F), рассчитанных по всем локусам, достоверных отличий между демами в популяциях нами не обнаружено (табл. 2). То есть на протяжении своего ареала каждая из изученных популяций имеет сходный уровень генетического разнообразия, что указывает
Таблица 2
Показатели генетической изменчивости H. striata в демах популяций (М ± m) по изоферментным локусам Indicators of H. striata genetic variability in population dems (М ± m) at allozyme loci
Популяция Дем n p,% Aa Л / H o H e F
«Белая гора» 1 26 50,0 1,50 ± 0,22 1,42 ± 0,19 0,32 ± 0,14 0,21 ± 0,10 0,23 ± 0,10 0,09 ± 0,10*
2 36 66,7 1,83 ± 0,31 1,36 ± 0,15 0,36 ± 0,12 0,22 ± 0,08 0,22 ± 0,08 0,00 ± 0,06*
3 38 66,7 1,83 ± 0,31 1,57 ± 0,21 0,45 ± 0,15 0,35 ± 0,12 0,30 ± 0,10 -0,16 ± 0,05
4 34 66,7 1,83 ± 0,31 1,48 ± 0,25 0,40 ± 0,16 0,25 ± 0,09 0,24 ± 0,10 -0,05 ± 0,07*
5 43 50,0 1,67 ± 0,33 1,54 ± 0,25 0,38 ± 0,18 0,24 ± 0,11 0,26 ± 0,12 0,05 ± 0,04*
«Беленихино» 1 40 83,3 2,00 ± 0,26 1,43 ± 0,22 0,38 ± 0,15 0,23 ± 0,11 0,23 ± 0,10 0,06 ± 0,11*
2 39 83,3 2,33 ± 0,42 1,83 ± 0,32 0,60 ± 0,18 0,32 ± 0,11 0,37 ± 0,11 0,09 ± 0,14*
3 22 83,3 2,33 ± 0,42 1,69 ± 0,24 0,57 ± 0,16 0,33 ± 0,09 0,35 ± 0,09 0,03 ± 0,05*
4 40 66,7 2,17 ± 0,31 1,67 ± 0,20 0,55 ± 0,14 0,32 ± 0,11 0,35 ± 0,09 0,08 ± 0,14*
5 24 66,7 2,00 ± 0,37 1,45 ± 0,22 0,39 ± 0,17 0,17 ± 0,08 0,23 ± 0,10 0,21 ± 0,10*
«Губкин» 1 16 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
2 17 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
3 19 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
4 19 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
5 20 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
«Засосна» 1 26 50,0 1,50 ± 0,22 1,38 ± 0,18 0,31 ± 0,14 0,21 ± 0,10 0,21 ± 0,10 0,02 ± 0,08*
2 24 50,0 1,50 ± 0,22 1,26 ± 0,13 0,26 ± 0,12 0,15 ± 0,08 0,17 ± 0,08 0,11 ± 0,05*
3 22 33,3 1,33 ± 0,21 1,24 ± 0,15 0,20 ± 0,13 0,12 ± 0,08 0,14 ± 0,09 0,12 ± 0,02*
4 25 50,0 1,50 ± 0,22 1,29 ± 0,17 0,24 ± 0,13 0,16 ± 0,09 0,16 ± 0,09 0,00 ± 0,01*
5 21 50,0 1,50 ± 0,22 1,20 ± 0,10 0,23 ± 0,10 0,16 ± 0,08 0,14 ± 0,07 -0,09 ± 0,11
Таблица 2 (Окончание)
Популяция Дем n p,% Аа л / H o H e F
«Верхние Лубянки» 1 27 66,7 2,00 ± 0,37 1,44 ± 0,18 0,41 ± 0,15 0,23 ± 0,08 0,25 ± 0,09 0,06 ± 0,06*
2 22 50,0 1,50 ± 0,22 1,24 ± 0,14 0,23 ± 0,11 0,11 ± 0,06 0,15 ± 0,08 0,27 ± 0,06*
3 28 66,7 1,83 ± 0,31 1,24 ± 0,12 0,26 ± 0,11 0,12 ± 0,06 0,16 ± 0,07 0,22 ± 0,08*
4 26 33,3 1,50 ± 0,34 1,27 ± 0,17 0,24 ± 0,15 0,12 ± 0,07 0,15 ± 0,10 0,23 ± 0,01*
5 28 50,0 1,50 ± 0,22 1,43 ± 0,20 0,33 ± 0,15 0,24 ± 0,11 0,23 ± 0,10 -0,09 ± 0,12
«Осадчее» 1 26 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
2 24 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
3 23 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
4 23 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
5 26 0,0 1,00 ± 0,00 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 -
п — число особей в выборке; * — достоверный дес ное число аллелей на локус; / — индекс Шеннона; F — коэффициент инбридинга. Прочерком отмечен зицит гетерозигот; А — среднее число аллелей на локус; А — эффектив-Н — наблюдаемая гетерозиготность; Н — ожидаемая гетерозиготность; ы группы с мономорфными локусами, для которых F определить не удалось
на пространственную стабильность популяционных генофондов H. striata.
Полигоны Дебеца, построенные по частотам q-аллеля семнадцати /SSR-локусов в демах популяций H. striata, представлены на рис. 4. Полученные данные коррелируют с изменчивостью аллозимов. Так, наиболее богатыми генофондами обладают популяции H. striata из бассейна р. Северский Донец — «Белая гора» и «Бе-ленихино», а наиболее бедными — «Осадчее» и «Губкин». Так же как и по аллозимам, даже между соседними демами в популяциях наблюдаются значительные разли-
чия частот ДНК-аллелей. В результате полигоны Дебеца, построенные по частотам д-аллеля, часто отличаются даже у соседних демов одной популяции.
Тем не менее общая топография генетической изменчивости в разных участках ареала популяций остается схожей. Так, средние значения показателей генетической изменчивости, вычисленные на основе /55^-локусов в пределах популяций между демами, достоверно не отличаются, что подтверждает данные, полученные по ал-лозимам, о пространственной стабильности внутрипопу-ляционной генетической изменчивости (табл. 3).
Таблица 3
Средние значения показателей генетической изменчивости в демах популяций H. striata на основе ДНК-маркеров Average values of genetic variability in H. striata population dems on the basis of DNA markers
Популяция Дем n p,% Аа Ае / H e
1 39 76,47 1,65 ± 0,17 1,52 ± 0,09 0,44 ± 0,06 0,30 ± 0,05
2 39 70,59 1,59 ± 0,17 1,52 ± 0,10 0,42 ± 0,07 0,29 ± 0,05
«Белая гора» 3 36 64,71 1,53 ± 0,17 1,50 ± 0,10 0,40 ± 0,08 0,28 ± 0,05
4 34 76,47 1,65 ± 0,17 1,57 ± 0,10 0,45 ± 0,07 0,31 ± 0,05
5 31 88,24 1,88 ± 0,08 1,59 ± 0,09 0,48 ± 0,06 0,33 ± 0,04
1 24 76,47 1,65 ± 0,17 1,49 ± 0,08 0,43 ± 0,06 0,29 ± 0,04
2 24 70,59 1,59 ± 0,17 1,42 ± 0,08 0,38 ± 0,07 0,25 ± 0,05
«Беленихино» 3 21 70,59 1,53 ± 0,19 1,43 ± 0,09 0,37 ± 0,07 0,25 ± 0,05
4 24 70,59 1,59 ± 0,17 1,46 ± 0,09 0,40 ± 0,07 0,27 ± 0,05
5 24 82,35 1,71 ± 0,17 1,50 ± 0,08 0,45 ± 0,06 0,30 ± 0,04
1 18 5,88 0,59 ± 0,15 1,03 ± 0,03 0,03 ± 0,03 0,02 ± 0,02
2 18 5,88 0,59 ± 0,15 1,03 ± 0,03 0,03 ± 0,03 0,02 ± 0,02
«Губкин» 3 17 17,65 0,76 ± 0,18 1,07 ± 0,05 0,07 ± 0,04 0,05 ± 0,03
4 18 11,76 0,71 ± 0,17 1,08 ± 0,06 0,07 ± 0,05 0,05 ± 0,03
5 20 17,65 0,76 ± 0,18 1,12 ± 0,06 0,10 ± 0,06 0,07 ± 0,04
1 23 52,94 1,24 ± 0,22 1,29 ± 0,09 0,27 ± 0,07 0,17 ± 0,05
2 25 52,94 1,24 ± 0,22 1,35 ± 0,10 0,29 ± 0,07 0,20 ± 0,05
«Засосна» 3 21 47,06 1,06 ± 0,23 1,24 ± 0,08 0,23 ± 0,07 0,15 ± 0,05
4 23 35,29 0,88 ± 0,22 1,25 ± 0,10 0,20 ± 0,07 0,14 ± 0,05
5 17 41,18 1,00 ± 0,23 1,27 ± 0,10 0,21 ± 0,07 0,14 ± 0,05
Таблица 3 (Окончание)
Популяция Дем n p,% Л Л I H e
«Верхние Лубянки» 1 24 47,06 1,24 ± 0,20 1,27 ± 0,08 0,25 ± 0,07 0,17 ± 0,05
2 20 52,94 1,24 ± 0,22 1,36 ± 0,09 0,31 ± 0,07 0,21 ± 0,05
3 22 41,18 1,12 ± 0,21 1,22 ± 0,08 0,20 ± 0,07 0,13 ± 0,05
4 24 35,29 1,06 ± 0,20 1,26 ± 0,09 0,21 ± 0,07 0,15 ± 0,05
5 24 47,06 1,29 ± 0,19 1,24 ± 0,08 0,22 ± 0,07 0,14 ± 0,05
«Осадчее» 1 24 0,00 0,35 ± 0,12 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00
2 24 0,00 0,35 ± 0,12 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00
3 24 0,00 0,35 ± 0,12 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00
4 24 5,88 0,41 ± 0,15 1,03 ± 0,00 0,03 ± 0,03 0,02 ± 0,02
5 24 0,00 0,35 ± 0,12 1,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00 0,00 ± 0,00
Далее на основании анализа частот аллелей изо-ферментных локусов в исследованных популяциях нами проведен расчет коэффициентов инбридинга на разном уровне популяционной иерархии — Г., Г., Р^, а также показателя подразделенности Ф(метод ЛМОУЛ). Выяснилось, что исследованные изоферментные локусы вносят различный вклад в подразделенность популяций. Так, в популяции «Беленихино» Р, отражающий уровень дифференциации популяции, по локусу SOD2 оказался равным 0,024, а по локусу EST5 — 0,204, т. е. почти в девять раз выше. Кроме того, одни и те же локусы вносят разный вклад в структурированность разных популяций. Например, Р по локусу EST5 в разных популяциях
принимает значения от 0,105 в популяции «Белая гора» до 0,260 в популяции «Верхние Лубянки». Вероятно, это объясняется разнонаправленностью векторов отбора и генетико-автоматических процессов как в разных локусах, так и в разных популяциях H. striata.
Расчет средних значений индексов инбридинга Fst и F в большинстве популяций выявил дефицит гетерозигот по анализируемым локусам (табл. 4).
Это может свидетельствовать в пользу низкого потока генов в популяциях H. striata и формирования в них оригинальных внутрипопуляционных группировок. А расчет среднего значения индексов Fst и Фst (табл. 5) подтверждает эти выводы. Исследованные популяции
Средние значения коэффициентов инбридинга в популяциях* H. striata по изоферментным локусам Average values of the inbreeding coefficients in H. striata populations at allozyme loci
Таблица 4
Популяции F. is Fit Fst
«Белая гора» -0,026 ± 0,047 0,082 ± 0,046 0,106 ± 0,015
«Беленихино» 0,086 ± 0,097 0,181 ± 0,091 0,101 ± 0,028
«Засосна» 0,013 ± 0,038 0,261 ± 0,041 0,245 ± 0,056
«Верхние Лубянки» 0,080 ± 0,067 0,264 ± 0,078 0,207 ± 0,027
Р. — коэффициент инбридинга особи относительно субпопуляции; Ра — коэффициент инбридинга особи относительно большой популяции; Рй — коэффициент инбридинга субпопуляции относительно большой популяции. Для популяций «Губкин» и «Осадчее» вследствие их мономорфности по исследованным аллозимам значения коэффициентов Р Р Р а также не установлены
Таблица 5
Результаты анализа молекулярной дисперсии (AMOVA) в популяциях H. striata по изменчивости изоферментных локусов The results of analysis molecular variance (AMOVA) in H. striata populations at allozyme loci variability
Популяция Варианса df 55 М5 E Ф*; p
«Белая гора» Между популяциями 4 62,757 15,689 0,402 0,208 (p = 0,001)
Внутри популяций 172 264,175 1,536 1,536
«Беленихино» Между популяциями 4 76,418 19,105 0,524 0,203 (p = 0,001)
Внутри популяций 160 330,121 2,063 2,063
«Засосна» Между популяциями 4 70,122 17,530 0,699 0,396 (p = 0,001)
Внутри популяций 113 120,633 1,068 1,068
«Верхние Лубянки» Между популяциями 4 81,799 20,450 0,732 0,358 (p = 0,001)
Внутри популяций 126 165,460 1,313 1,313
df — число степеней свободы; 55 — сумма квадратов; М5 — средний квадрат; Е — оценка вариансы; р — уровень значимости
Таблица 6
Результаты анализа молекулярной дисперсии (AMOVA) в популяциях H. striata по ZSS^-локусам
The results of analysis molecular variance (AMOVA) in H. striata populations at Issr-loci_
Популяция Варианса df SS MS E Ф,-> P
«Белая гора» Между популяциями 4 36,054 9,013 0,189 0,078 (P = 0,001)
Внутри популяций 174 391,510 2,250 2,250
«Беленихино» Между популяциями 4 57,632 14,408 0,524 0,195 (P = 0,001)
Внутри популяций 112 241,821 2,159 2,159
«Губкин» Между популяциями 4 5,312 1,328 0,060 0,206 (P = 0,001)
Внутри популяций 86 19,985 0,232 0,232
«Засосна» Между популяциями 4 34,424 8,606 0,330 0,186 (P = 0,001)
Внутри популяций 104 150,365 1,446 1,446
«Верхние Лубянки» Между популяциями 4 39,269 9,817 0,381 0,251 (P = 0,001)
Внутри популяций 109 123,942 1,137 1,137
«Осадчее» Между популяциями 4 0,033 0,008 0,000 0,000 (P = 0,100)
Внутри популяций 115 0,958 0,008 0,008
имеют разную степень генетической разобщенности между демами. Как оказалось, наибольшей генетической структурированностью обладают популяции «Верхние Лубянки» и «Засосна», обитающие в степной природной зоне. При этом степень фрагментации биотопа популяции «Засосна» значительно ниже, чем у генетически менее структурированной популяции «Беленихино», что говорит о разной степени миграционной активности особей (активной и пассивной) H. striata в разных популяциях.
Значения индекса Ф , рассчитанного по /SSR-локу-сам (табл. 6), показывают, что наиболее подразделенным является генофонд популяции «Верхние Лубянки», а наименее — популяции «Белая гора»1. В целом по /SSR-локусам исследованные популяции имеют более низкое значение Ф , чем по аллозимам. Вероятно, это вызвано тем, что /SSR-локусы в основном характеризуют селективно нейтральную часть генома и в большей степени отражают генетико-автоматические процессы в исследованных популяциях. В данном аспекте стоит отметить уровень дифференциации генофонда популяции «Губкин», мономорфной по локусам изоферментов. Изменчивость этой популяции по ДНК-маркерам также оказалась сравнительно низкой (полиморфными являются всего 11,76 % локусов). Однако отмечаются достаточно существенные различия между демами (Ф = = 0,206) (см. табл. 6). s
Стоит также отметить, что уровень подразделенно-сти отдельных популяций (F ^ 0,245 ± 0,056) по сравнению с полученным нами ранее значением Fst для H. striata всего юга Среднерусской возвышенности как генеральной совокупности (F = 0,503 ± 0,101) пред-
1 Мономорфность исследованных генетических маркеров в популяции «Осадчее» не позволяет сделать выводов о характере структурированности ее генофонда и об уровне потока генов между демами.
сказуемо ниже, поскольку генофонд отдельной популяции включает только часть генофонда всех популяций моллюска из района исследования. Тем не менее дифференциация генофондов локальных популяций H. striata выше, чем у многих других видов наземных улиток. Так, у мезофильного моллюска Bradybaena fruticum для всего юга Среднерусской возвышенности Fst составил 0,135 [9], а у ксерофильных видов Chondrula tridens и Cepaea vindobonensis — 0,164 и 0,173 соответственно [7, 8].
Таким образом, среди улиток, обитающих на юге Среднерусской возвышенности, H. striata характеризуется одним из самых низких уровней потока генов. Полагаем, что это связано с особенностями биологии данного вида. Так, H. striata является стенобионтным видом, распространенным по хорошо прогреваемым луговым или степным склоновым биотопам [10, 12, 13]. А фоновые виды моллюсков, взятые для соспоставления, являются эврибионтными мезофилами или факультативными ксе-рофилами, обитающими как в сухих, так и в увлажненных биотопах [12]. Известно, что улитки активны и способны совершать миграции только во влажные периоды времени [15]. А поскольку в сухих местообитаниях таких периодов значительно меньше, чем увлажненных, то и общее время для совершения миграций у H. striata меньше, чем у эврибионтных или мезофильных видов улиток. Кроме того, по сравнению с некоторыми другими видами ксе-рофилов во время засух H. striata закапывается в почву, в связи с чем становится практически недоступен для пассивного переноса [1].
Низкий поток генов, а также превышение его вну-тригрупповой компоненты над межгрупповой приводят к формированию оригинальных структурированных по-пуляционных генофондов, каждый из которых адаптируется к локальным условиям среды [2]. Видимо, такая организация генетической структуры позволяет H. striata
наиболее эффективно адаптироваться к условиям пересеченного ландшафта Среднерусской возвышенности с множеством разнообразных микроусловий. Однако чрезмерная специализация популяций сопровождается снижением их генетической изменчивости и может привести к потере адаптационной пластичности с последующим вымиранием в случае изменения условий среды. Что наиболее актуально для таких популяций моллюска, как «Осадчее» и «Губкин»?
Особо стоит отметить, что значительная фрагментация ландшафта не является обязательным условием пространственной дифференциации популяционных генофондов на оригинальные генофонды демов. Так, популяция «Засосна» обитает в относительно однотипном биотопе без значимых физических барьеров (см. табл. 1). Тем не менее как по изоферментам, так и по ДНК она имеет высокие значения Ф По-видимому, это связано с особенностями биологии моллюсков, в частности их малоподвижностью и приуроченностью к локальным микронишам, в связи с чем географическое расстояние само по себе является изолирующим фактором.
выводы
Таким образом, на территории юга Среднерусской возвышенности H. striata характеризуется разной степенью пространственной дифференциации попу-ляционных генофондов. При этом важную роль в формировании генетической структуры играет не столько уровень разнообразия условий среды, сколько степень миграционной активности особей, которая оказалась наиболее высокой в популяциях бассейна р. Север-ский Донец. В то же время популяции из степной зоны и Верхнего Поосколья с самым низким потоком генов имеют более изолированные генофонды и, вероятно, характеризуются более высокими темпами снижения генетического разнообразия вследствие большей активности случайных процессов. Полагаем, что хозяйственное использование местообитаний этих групп может вызвать дальнейшее обеднение их генофонда и, как следствие, вымирание.
По сравнению с другими исследованными видами наземных моллюсков юга Среднерусской возвышенности H. striata отличается наиболее низким уровнем потока генов. Это объясняется стенобионтностью данного моллюска и его меньшей способностью к активной и пассивной миграциям.
Кроме того, по нашим данным, для получения более объективной картины состояния популяционных генофондов, необходимо учитывать характер внутрипопуля-ционной пространственной дифференциации, поскольку в некоторых случаях выборки из отдельных демов высо-кодифференцированной популяции могут не отражать ее общего состояния.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балашёв И.А., Байдашников А.А. Наземные моллюски (Gastropoda) Винницкой области и их биотопическая приуроченность // Вестник зоологии. — 2012. — Т. 46(1). - С. 19-28. [Balashev IA, Baydashnikov AA. Terrestrial molluscs (Gastropoda) of Vinnytsa region and their confinement to different phytocenoses. Vestnik zoologii. 2012;46(1):19-28. (In Russ.)]
2. Генофонд и геногеография народонаселения / Под ред. Ю.Г. Рычкова. — СПб.: Наука, 2000. [Gene pool and genogeography of human populations. Ed by Yu.G. Rychkov. Saint Petersburg: Nauka; 2000. (In Russ.)]
3. Гриценко В.В. Эколого-генетическая организация изменчивости популяций некоторых видов растений и насекомых: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. — Казань, 2008. [Gritsenko VV. Ecological and genetic organization of the variability in populations of some species plants and insects. [dissertation]. Kazan; 2008. (In Russ.)]
4. Кайданов Л.З. Генетика популяций. — М.: Высшая школа, 1996. [Kaydanov LZ. Genetics of populations. Moscow: Vysshaya shkola; 1996. (In Russ.)]
5. Крамаренко С.С. Анализ внутрипопуляционной дифференциации на примере фенетической изменчивости наземного моллюска Brephulopsis bidens (Gastropoda: Pulmonata; Buliminidae) // Еколо-го-функцюнальш та фаунютичш аспекти дослщ-ження молюсюв, ix роль в бюшдикацп стану навко-лишнього середовища. — Житомир: Вид-во ЖДУ iм. I. Франка, 2006. — С. 165—169. [Kramarenko SS. Analiz vnutripopulyatsionnoy differentsiatsii na primere feneticheskoy izmenchivosti nazemnogo mollyuska Brephulopsis bidens (Gastropoda: Pulmonata; Buliminidae). In: Ekologo-funktsional'ni ta faunistichni aspekti doslidzhennya molyuskiv, ïkh rol' v bioindikatsiï stanu navkolishn'ogo seredovishcha. Zhitomir: Vid-vo ZhDU im. I.Franka, 2006. P. 165-169. (In Russ.)]
6. Крамаренко С.С. Формирование паттернов пространственно-временной изменчивости наземных моллюсков: мультимасштабный подход: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. — Киев, 2014. [Kramarenko SS. Formirovanie patternov prostranstvenno-vremennoy izmenchivosti nazemnykh mollyuskov: mul'timasshtabnyy podkhod. [dissertation]. Kiev; 2014. (In Russ.)]
7. Снегин Э.А. Генетическая структура популяций модельных видов наземных моллюсков в условиях урбанизированного ландшафта на примере Œondrula tridens Müll. (Gastropoda, Pulmonata) // Экологическая генетика. — 2011а. — Т. IX(2). — С. 54—64. [Snegin EA. The genetic structure of model species populations of terrestrial mollusks in conditions of urbanized landscape using the example of Chondrula tridens Müll (Gastropoda, Pulmonata).
Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2012;2(2):160-170. (In Russ.)]. doi: 10.1134/ s2079059712020128.
8. Снегин Э.А. Оценка жизнеспособности популяций особо охраняемого вида Cepaea vindobonensis (Mollusca, Gastropoda, Pulmonata) в условиях юга лесостепи Среднерусской возвышенности // Вестник КрасГАУ. — 20116. — № 11. — С. 142—148. [Snegin EA. Vitality estimation of the Cepaea vindobonensis (Mollusca, Gastropoda, Pulmonata) especially protected species populations in the conditions of the Forest-Steppe in Southern Mid-Russian Upland. Vestnik KrasGAU. 2011b;(11):142-148. (In Russ.)].
9. Снегин Э.А. Оценка состояния популяционных генофондов наземных моллюсков в условиях влияния горно-обогатительных комбинатов на примере Bradybaena fruticum M üll (Gastropoda, Pulmonata) // Экологическая генетика. — 2010. — Т. VIII(2). — С. 45—55. [Snegin EA. Assessment of the state of population gene pools of terestrial mollusks in conditions of influence of ore dressing combines from the example of Bradybaena fruticum Mull. (Gastropoda, Pullmonata). Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2011;1(5):379-389. (In Russ.)]. doi: 10.1134/ s2079059711050133.
10. Снегин Э.А., Сычев А.А. Оценка жизнеспособности популяций особо охраняемого вида Helicopsis striata Müller (Mollusca, Gastropoda: Pulmonata) в условиях юга Среднерусской возвышенности // Теоретическая и прикладная экология. — 2011. — № 2. — С. 83—92. [Snegin EA, Sychev AA. Estimation of population viability specially protected species Helicopsis striata Müller (Mollusca, Gastropoda, Pulmonata) in Southern Mid-Russian Upland. Theoretical and Applied Ecology. 2011;(2):83-92. (In Russ.)]
11.Снегин Э.А. Оценка состояния популяционных генофондов особо охраняемого вида Helicopsis striata (Mollusca, Gastropoda, Pulmonata) на основе ДНК-маркеров // Экологическая генетика. — 2015. — Т. XIII(3). — С. 28—39. [Snegin EA. Assessment of the state population gene pool of specially protected species Helicopsis striata (Mollusca, Gastropoda, Pulmonata) using DNA-markers. Ekologicheskaya genetika. 2015; XIII(3):28-39. (In Russ.)]. doi: 10.17816/eco-gen13328-39.
12. Снегин Э.А. Пространственные и временные аспекты эколого-генетической структуры популяций беспозвоночных животных (на примере наземных моллюсков и насекомых юга Среднерусской возвышенности): автореф. дис. ... д-ра биол. наук. — Белгород, 2012. [Snegin EA. Extensional and temporal aspects of ecological and genetic structure of invertebrates populations (for example, land snails and insects of the Southern Mid-Russian Upland). [dissertation]. Belgorod; 2012. (In Russ.)]
13.Снегин Э.А. Улитка степная ребристая (Helicopsis striata Müll) // Красная книга Белгородской области. Редкие и исчезающие растения, грибы, лишайники и животные. Официальное издание / Под ред. А.В. Присного. — Белгород: Белгородская областная типография, 2004. [Snegin EA. Ulitka stepnaya rebristaya (Helicopsis striata Müll). In: Krasnaya kniga Belgorodskoy oblasti. Redkie i ischezayushchie rasteniya, griby, lishayniki i zhivotnye. Ofitsial'noe izdanie. Ed by A.V. Prisnogo. Belgorod: Belgorodskaya oblastnaya tipografiya; 2004. (In Russ.)]
14. Шварц С.С. Экологические закономерности эволюции. — М.: Наука, 1980. [Shvarts SS. Environmental laws of evolution. Moscow: Nauka; 1980. (In Russ.)]
15. Шилейко А.А. Наземные моллюски надсемейст-ва Helicoidea. Фауна СССР. Моллюски. — Л.: Наука, 1978. — Т 3(6). — 384 с. [Shileiko AA. Terrestrial molluscs superfamily Helicoidea. Fauna USSR. Molluscs. Leningrad: Nayka; 1978;3(6). (In Russ.)]
16.Arnaud JF, Madec L, Bellido A, Guiller A. Microspatial genetic structure in the land snail Helix asper-sa (Gastropoda: Helicidae). Heredity. 1999;83: 110-119.
17. Arnaud JF, Madec L, Guiller A, Bellido A. Spatial analysis of allozyme and microsatellite DNA polymorphisms in the land snail Helix aspersa (Gastropoda: Helicidae). Molecular Ecology. 2001;10:1563-1576. doi: 10.1046/ j.1365-294x.2001.01292.x.
18. Goudet J. F-stat Software ver. 2.9.3.2. Institute of Ecology, Lausanne, Switzerland. 2002.
19.Livshits GM. Survival, behaviour and spatial distribution of shell morphs in a population of the snail Brephulopsis bidens (Pulmonata). Oecologia (Berl). 1981;51:220-226.
20. Mathew CG. The isolation of high molecular weight eu-karyotic DNA. Nucleic Acids. 1984;2:31-34.
21. Peakall R., Smouse PE. GenAlEx 6: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. MolEcol Notes. 2006;6:288-295.
22. Pfenninger M. Relationship between microspatial population genetic structure and habitat heterogeneity in Po-matias elegans (O.F. Müller, 1774) (Caenogastropoda, Pomatiasidae). Biological J of the Linnean 5ociety. 2002;76:565-575.
23. Pfenninger M, Bahl A, Streit B. Isolation by distance in a population of a small land snail Trochoi-dea geyeri: Evidence from direct and indirect methods. Proceedings of the Royal 5ociety of London B. 1996;263(1374):1211-1217.
24. Selander RK, Kaufman DW. Genetic structure of populations of the brown snail (Helix aspersa). I. Microgeo-graphic variation. Evolution. 1975;29:385-401.
25. Wright S. The genetical structure of populations. Ann Eugen. 1951;15:323-354.
MICROSPATIAL STRUCTURE OF POPULATION GENE POOL IN THE LAND SNAIL HELICOPsIs sTRIATA (PULMONATA, HYGROMIIDAE) IN CONDITIONS OF THE SOUTHERN MID-RUSSIAN UPLAND
A.A. Sychev, E.A. Snegin
For citation: Ecological genetics. 2016;14(2):28-38
* SUMMARY: Background. The formation of the subdivided genetic pattern is key to the successful adaptation of population. Consequently work on the conservation and restoration of protected steppe snail Heli-copsis striata (Müller 1774) should be based on the analysis micropro-trusions differentiation of population gene pools. Materials and methods. The genetic structure of six populations of H. striata was studied in a variety conditions of the Southern Mid-Russian Upland. In each population collected snails from five locations, located at an equal distance from each other (150-200 m). As the genetic markers used six polymorphic loci of allozymes (polyacrylamide gel electrophoresis) and DNA loci (ISSR-PCR). results. In general, on the Southern Mid-Rus-
sian Upland H. striata is characterized by a different degree of the spatial differentiation population gene pools (for example, according to the ISSR-loci 0,078 < 0st < 0,251). In comparison with the other investigated species of land snail in the study area H. striata is distinguished by the high degree of a differentiation population gene pools. It is shown that populations with a high degree of genetic structure found in the biotopes with different levels of the landscape fragmentation. Conclusion. Based on these results it can be stated that an important role in shaping the populations genetic structure in H. striata is not so much the level of diversity environmental conditions, as the degree of migratory activity individuals, which was the highest in genetically rich populations of the basin Seversky Donets river. At the same time the biology of this snail decrease the speed of its active and passive migration, which probably leads to increased isolation of populations. The highest probability of extinction, in our opinion, are isolated populations of H. striata with low genetic variability.
* KEYWORDS: Land snail; Helicopsis striata; microspatial genetic structure; Mid-Russian Upland.
Ф Информация об авторах
Антон Александрович Сычев — аспирант, кафедра экологии, физиологии и биологической эволюции. ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет». E-mail: [email protected].
Эдуард Анатольевич Снегин — д-р биол. наук, доцент, кафедра экологии, физиологии и биологической эволюции. ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет». E-mail: [email protected].
* Information about the authors
Anton A. Sychev — postgraduate, Department of Ecology, Physiology and Evolutionary Biology. Belgorod national research university. E-mail: [email protected].
Eduard A. Snegin — Dr. Biol. Sci., senior lecturer, Department of Ecology, Physiology and Evolutionary Biology. Belgorod national research university. E-mail: [email protected].
