CC BY
84
28 НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ | ^ | Серия Естественные науки. 2010. № 3 (74). Выпуск 10
УДК 575.22; 502.4
МОРФОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕОКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОПУЛЯЦИЙ НАЗЕМНОГО МОЛЛЮСКА BRADYBAEMA FRUTICUM MULL. В ЗАПОВЕДНИКЕ «ГАЛИЧЬЯ ГОРА»
Э.А. Онегин
Белгородский
государственный
университет
Россия, 308015, гБелгород,
ул. Победы, 85
E-mail: snegin@bsu.edu.ru
В работе приведены результаты исследований популяций кустарниковой улитки (Вradybaena fruticum Mull.), обитающих на различных участках заповедника «Галичья Гора». Анализировалась изменчивость конхиоло-гических признаков, включающих морфометрические показатели, наличие продольной полосы на раковине и варианты окраски раковины. В качестве генетических маркеров использовались четыре локуса мономерных эстераз. Показана оригинальность по частотам аллелей и повышенная гетерозигот-ность изучаемых групп улиток, выявлены векторы естественного отбора, высказывается гипотеза формирования генофонда популяции из урочища «Воргол» сохранившей горную специализацию.
Ключевые слова: наземный моллюск, популяции, заповедник.
Введение
Данная работа посвящена анализу внутривидовой изменчивости, которая дает очень важные представления о популяционной структуре вида. Изучение фенотипической и генотипической изменчивости признаков позволяет выявить особенности локальных и географических факторов среды обитания, выступающих в роли факторов естественного отбора и формирующих фенотипический облик популяции, оказывая селективное влияние, как на отдельных особей, так и на группы в целом. К тому же исследование полиморфизма популяций разных видов животных имеет сравнительно-эволюционное значение. Полиморфизм в популяциях наземных моллюсков -явление довольно распространенное, и полиморфные виды служат удобной моделью для изучения многих вопросов микроэволюции. Кроме того, работа в области генетического подхода очень важна для целей мониторинга, так как позволяет оценить степень антропогенного воздействия на природные популяции. Производимые человеком глобальные изменения в природе сильно сказываются на генетической структуре видов, что находит свое отражение во внешнем облике, как отдельных особей, так и целых популяций.
Объектом нашего исследования стал наземный брюхоногий моллюск кустарниковая улитка (Bradybaena fruticum Mull.), вид, который уже многие годы используется в качестве биоиндикатора влияния человека на экосистемы различных ландшафтов [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].
Основная цель работы состояла в изучении особенностей изменчивости кон-хиологических и биохимических признаков в популяциях Br. fruticum, обитающих на трех участках заповедника «Галичья Гора»: на участке с одноименным названием «Галичья Гора», на участках «Воргол» и «Плющань».
Материал и методика
Материалом для исследования послужили коллекционные сборы раковин кустарниковой улитки из заповедника «Галичья Гора», а также образцы тканей особей изучаемого вида, хранящиеся в криобанке, созданном при зоологическом музее Бел-ГУ. Выборки из популяций были сделаны во время экспедиции в 2006 году. Моллюски собирались вручную с поверхности почвы, со стеблей и листьев растений, иногда в подстилке.
Для морфометрического анализа использовались раковины взрослых особей, закончивших рост, о чем свидетельствовал отворот устья. Схема промеров раковины представлена на рисунке 1. Все параметры измерялись в миллиметрах с точностью до
десятых долей штангенциркулем. Кроме того, оценивалась частота встречаемости дискретных фенов, таких как наличие продольной полосы на раковине (П+ - гомозигота по рецессивному аллелю [10]) и желтый цвет раковины (Цз - гомозигота по аллелю желтой окраски [6, 7]). Всего изучено 122 раковины.
Ч------------►
ШУ
U------------------------►
ШР
Рис. 1. Схема промеров раковины Bradybaena fruticum (ШР - ширина раковины, ВР - высота раковины, ВУ - высота устья,
ШУ - ширина устья, ВЗ - высота завитка)
Для электрофоретического анализа было использовано 80 особей. Экстракцию водорастворимых белков проводили из ретрактора ноги моллюсков, путем замораживания при - 8о°С с последующим оттаиванием и механическим измельчением тефлоновым гомогенизатором в 0.05 М трис-НС1-буфере (pH 6.7). Электрофорез изоферментов проводился в 10% полиакриламидном геле в камере Protean II xi Cell 20 («Bio-Rad»). Гелевый трис-НС1-буфер (концентрирующий гель pH 6.7, разделяющий гель pH 8.9); электродный трис-глициновый-буфер (pH 8.3). Окрашивание блоков проводилось в субстратной смеси: трис-HCl (pH 7.4), а-нафтилацетат, прочный красный TR.
В качестве генетических маркеров нами использовались четыре локуса мономерных неспецифических эстераз: Est2 (с тремя аллелями), Est3 (с тремя аллелями), Est 4 (с пятью аллелями) и Est 5 (с пятью аллелями)1. Наследование всех локусов идет по кодоминантному типу [5].
Обработка полученных данных проводилась с использованием программы GenAlEx [11].
Результаты исследований
Результаты морфометрического анализа представлены в табл. 1. Согласно полученным данным популяции улиток из заповедного участка «Галичья Гора» и «Плющань» достоверно превосходят ряду абсолютных показателей популяцию улиток из урочища «Воргол». Это, вероятно, является следствием более благоприятных условий для роста в биотопах первых двух участков. Здесь улитки обитают в пойме реки Дон, в зарослях ивы богатых основными кормовыми растениями, такими как крапива, лопух, хмель и т.д. Стоит отметить, что такие биотопы обычны для этого вида в условиях лесостепи Среднерусской возвышенности.
Что касается популяции, обитающей на участке «Воргол», то эта группа была отмечена в нетипичных для вида условиях - у подножья скальных выходов девонских известняков, в пойме реки Воргол, где фактически на открытом пространстве, отсутствовали крупные тенистые деревья и соответствующая пойменная растительность.
1 В исследуемых группах не обнаружены аллели Est4-4, Est4-5, Est5-4 и Est4-5.
Кроме того, юго-западная экспозиция способствовала быстрому нагреву поверхности почвы в дневные часы. Поэтому улиткам, чтобы избежать перегрева, приходилось уходить под известковые камни и забиваться в скальные трещины. Вероятно, это обстоятельство способствовало тому, что естественный отбор в этом биотопе шел в направлении более мелких размеров раковины. Кроме того, улитки данной группы имели достоверно более узкое устье, о чем говорит индекс ВУ/ШУ и более прижатый завиток (индекс ВЗ/ВР), что позволяет этим животным успешно прятаться в узких нишах и трещинах скальной породы.
Таблица1
Показатели конхиологических признаков в популяциях кустарниковой улитки
заповедника «Галичья Гора»
Параметры раковины «Галичья Гора» (N=70) «Воргол» (N=28) «Плющань» (N=23)
Число оборотов 5.2±0.05 5.1±0.07 5.2±0.05
Ширина раковины (мм) 20.0±0.3 18.2±0.7 20.1±0.5
Высота раковины (мм) 16.2±0.3 15.1±0.5 1б.2±0.5
Ширина устья (мм) 11.0±0.2 11.0±0.2 10.9±0.3
Высота устья (мм) 10.7±0.2 10.1±0.з 10.6±0.3
Высота завитка (мм) 6.4±0.2 5.5±0.4 6.8±0.4
Высота раковины/ширина раковины 0.8±0.01 0.8±0.001 0.78±0.02
Высота устья/ширина устья 0.97±0.01 0.68±0.02 0.94±0.02
Высота завитка/высота раковины 0.39±0.01 0.34±0.03 0.40±0.02
Частота фена П+ 0 0.643 0.043
Частота фена Ц3 0 0.214 0
Оригинальность популяции из заповедного участка «Воргол» прослеживается и в отношении частот полиморфных морфологических и биохимических признаков. Так, в частности, здесь отмечена достоверно высокая доля полосатых особей и особей, имеющих желтую раковину (при среднем показателе для региона фена П+ = 0.133 ± 0.05, фена Цз = 0.11 ± 0.04). Предыдущими исследованиями установлено, что особи с продольной полосой на раковине предпочитают тенистые и прохладные биотопы [5, 12], В данном случае, необходимое затенение и оптимальный температурный режим в разное время суток, возможно, создают скальные выходы. Повышенная частота встречаемости улиток с желтой раковиной, вероятно, может указывать на повышенный радиационный фон в этом биотопе, т.к. подобная корреляция неоднократно отмечалась нами ранее в различных популяциях кустарниковой улитки юга лесостепи, обитающих в местах тектонических разломов с выходом радона [6, 7]. Стоит отметить также, что эти два фена являются гомозиготными, и увеличение их частоты может являться следствием генетико-автоматических процессов.
По результатам анализа генетической изменчивости, представленным в таблице 2, можно сказать следующее.
Во-первых, хотелось бы отметить отсутствие двух аллелей в локусах Est4 и Est5, а также фиксацию аллеля Est2-2 в популяциях из участков «Галичья Гора» и «Воргол». Но вместе с тем, в исследуемых группах присутствует высокий уровень гетерози-готности и низкий уровень инбридинга по другим локусам. Данный факт свидетельствует о благополучном состоянии генофондов изучаемых популяций, чему, вероятно, способствует сохранение режима охраны и отсутствие в этом районе явных возмущающих факторов со стороны человека. Для сравнения, в изученных нами ранее в за-
поведных участках «Ямская степь» и «Стенки-Изгорья» (заповедник «Белогорье»), располагающихся на юге Среднерусской возвышенности, средняя гетерозиготность по четырем локусам эстеразы в популяциях кустарниковой улитки составила 0.244 ± 0.035 = 127) и 0.266 ± 0.042 (^ = 76) соответственно [9], что достоверно ниже ана-
логичных данных, полученных для заповедника «Галичья Гора» (0.365 ± 0.18).
Во-вторых, в популяции из урочища «Воргол» отмечены достоверно высокие частоты аллелей Est5-l и Est5-3, представленные в основном в гетерозиготах. По результатам предыдущих исследований частота этих аллелей в популяциях лесостепи колеблется для Est5-l в диапазоне 0.013 до 0.091, а для Est5-3 - от 0.006 до 0.0081 [9].
Таблица 2
Показатели генетической изменчивости в изучаемых популяциях кустарниковой улитки заповедника «Галичья Гора»
Популяция Локус Частоты аллелей Ае I Но Не F
«Галичья Гора» (^ = 40) Est2 Est2-2 = 1 1.000 0.000 0.0 0.0 -
Estз Estз-l = 0.4 Estз-2 = 0.6 1.923 0.673 0.800 0.480 -0.667
Est4 Est4-l = 0.213 Est4-2 = 0.763 Est4-3 = 0.025 1.594 0.628 0.475 0.373 -0.274
Est5 Est5-l = 0.025 Est5-2 = 0.975 1.051 0.117 0.050 0.049 -0.026
«Воргол» (^ = 20) Est2 Est2-2 = 1 1.000 0.000 0.0 0.0 -
Est3 Est3-l = 0.05 Estз-2 = 0.95 1.105 0.199 0.100 0.095 -0.053
Est4 Est4-l = 0.3 Est4-2 = 0.7 1.724 0.611 0.200 0.420 0.524
Est5 Est5-l = 0.475 Est5-3 = 0.525 1.995 0.692 0.950 0.499 -0.905
«Плющань» (^ = 20) Est2 Est2-l = 0.15 Est2-2 = 0.725 Est2-3 = 0.125 1.774 0.778 0.400 0.436 0.083
Est3 Estз-l = 0.125 Estз-2 = 0.85 Estз-з = 0.025 1.354 0.490 0.300 0.261 -0.148
Est4 Est4-l = 0.35 Est4-2 = 0.65 1.835 0.647 0.700 0.455 -0.538
Est5 Est5-l = 0.2 Est5-2 = 0.8 1.471 0.500 0.400 0.320 -0.250
Примечание: Ае - эффективное число аллелей; Но - наблюдаемая гетерозиготность; Не - ожидаемая гетерозиготность; I - индекс Шеннона, ^ - коэффициент инбридинга.
Такое явное увеличение частоты редких для лесостепи аллелей подчеркивает уникальность этой группы. Вероятно, упомянутые выше, неспецифические условия обитания на участке «Воргол» определили вектор естественного отбора в направлении формирования столь оригинального генофонда, достоверно отличного не только от генофондов соседних популяций, но и от генофондов популяций этого вида в лесостепи в целом. Этот вывод подтверждает кластерный анализ, проведенный с использованием генетических расстояний [13]. Согласно представленной схеме популяция из заповедного участка «Воргол» значительно дистанцировалась от сравниваемых групп, которые образовали отдельный кластер, соответствующий донскому бассейну (рис.2).
1 В большинстве изученных популяций лесостепи локус Est5 представлен гомозиготным фенотипом 22.
Стоит отметить, что согласно наиболее вероятной гипотезе центром возникновения (и расселения) семейства Bradybaemdae считают горные районы Азии [14]. Кустарниковая улитка является единственным видом этого обширного семейства, освоившего европейский континент1, где предпочитает избегать горных биотопов. Таким образом, реликтовая популяция из урочища «Воргол», возможно, несет в себе тот исходный генофонд, который мог быть унаследован от предковой группы в период расселения, что помогло ей сохранить горную специализацию.
Г енетическое расстояние D
Л .3 .2 .1 0,000
__ Плющань
__ Стенки Изгорья
Ямская степь
Г аличья гора Воргол
Рис. 2. Дендрограмма генетических расстояний по Неи [l3](UPGMA)
Безусловно, этот вывод требует определенной доли осторожности. Но, тем не менее, обнаруженное своеобразие популяций кустарниковой улитки в заповеднике «Галичья Гора» лишний раз подчеркивает уникальность этого природного наследия и диктует необходимость его дальнейшего сохранения.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы РНПВШ № 2.2.3.1/ 3723, РФФИ № 09-04-97513 р_центр_а.
Литература
1. Матекин П.В., Макеева В.М. Полиморфная система эстераз и пространственная структура вида у кустарниковой улитки (Bradybaena fruticum Mull.) // Журн. общей биологии. - 1977. - Т.38, № 6. - С. 908-913.
2. Зейферт Д.В., Действие естественного отбора на генетическую структуру популяций наземного моллюска Bradybaena fruticum (Mull.) // Журн. общей биологии. - 1987. - Т. 48, № 4. - С. 549-554.
3. Хохуткин И.М. Структура изменчивости видов на примере наземных моллюсков. -Екатеринбург: УрО РАН, 1997. - 175 с.
4. Матекин П.В., Макеева В.М., Пахорукова Л.В., Снегин Э.А., Пространственные различия популяций Bradybaena fruticum по комбинационным фенотипам в пределах Русской равнины // Моллюски. Проблемы систематики, экологии и филогении. Тезисы докладов. -СПб.: ЗИН, 2000. - С. 86-87.
5. Макеева В.М., Белоконь М.М., Малюченко О.П. Оценка состояния генофонда природных популяций беспозвоночных животных в условиях фрагментарного ландшафта Москвы и Подмосковья (на примере кустарниковой улитки Bradybaena fruticum (Mull) // Генетика. -2005. - № 11. - С.1495-1510.
1 Самостоятельность другого вида из этого семейства Bradybaena schrencky (Midd.), также зашедшего на территорию Европы в настоящее время оспаривается.
6. Снегин ЭА. Структура расселенности Bradybaena fruticum (Mollusca, Gastropoda, Pulmonata) в условиях юга лесостепной зоны Русской равнины: Aвтореф. дис. ... канд. биол. наук. - М.: Изд-во МГУ, 1999. - 22 с.
7. Снегин ЭА. Эколого-генетические аспекты расселения Bradybaena fruticum (Mollusca, Gastropoda, Pullmonata) в элементах лесостепного ландшафта // Экология. - 2005. -№ 1. - С. 39-47.
8. Снегин ЭА. Особенности генотипической структуры популяций кустарниковой улитки Трансильвании // Еколого-Функціональні та фауністичні аспекти досліжения молюсків, іх роль у біоіндикаціі стану навоклишнього середовища: Збірник наукових праць. - Житомир: B^-во ЖДУ ім. I. Франка, 2006. - Bbm. 2. - С. 304-307.
9. Снегин ЭА. Aнализ популяционных генофондов особо охраняемых природных территорий в условиях лесостепного ландшафта (на примере наземного моллюска Bradybaena fruticum Mull (Gastropoda, Pulmonata) // Bестник Крас^У. - 2009. - № 12. - С. 123-129.
10. Хохуткин И.М. О наследовании признака «опоясонности» в естественных популяциях наземного брюхоногого моллюска Bradybaena fruticum (Mull.) // Генетика. - 1979. - Т. 15, № 5. - С. 868-871.
11. Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx V5: Genetic Analisis in Excel. Population genetic software for teaching and reseach. Australion National University, Canberra, Australia. - 2001. http://www.anu.edu.au./BoZo/GenAlEx/
12. Рункова Г.Г., Максимов B^., Ковальчук ЛА., Хохуткин И.М. Эндогенная активность оксидаз и их реакция на тироксин в гомогенатах двух морф Bradybaena fruticum (Mull.) в условиях разных температур // Докл. AН СССР. - 1974. - Т. 219, № 2. - С. 471-472.
13. Nei M. Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a smoll numba of individuals // Genetics. - l978. - Vol. 89. - P. 583-590.
14. Матекин П. B. Наземные моллюски семейства Bradybaenidae Средней Aзии // Тр. Зоол. музея МГУ: Исследования по фауне Советского союза. - М., l972. - Т. l2. - С. ll2-ll4.
MORPHOLOGY-GENETIC PARAMETERS OF POPULATIONS OF TERRESTRIAL MOLLUSK BRADYBaMFRUTICUmm. IN reservation «galichja gora»
E-mail: snegin@bsu.edu.ru
Belgorod State University Pobedy Str., 85,
Belgorod, 308015, Russia
Е.А. Snegin
Research results of bush snail populations (Bradybaena fruticum Mull), dwelling on various fields of reservation «Galichja Gora» are described in the work. Variability of the conchiological attributes including morphometric parameters, presence of a longitudinal strip on a concha and variants of concha colouring are analyzed. Four locuses monomeric esterases were used as genetical markers. Originality on frequencies alleles and a high degree of heterozygosity of investigated of bunches snails is shown, vectors of natural selection are revealed, the hypothesis of formation of a gene pool of a population from reserved field «Vorgol» kept mountain specialization expresses.
Key words: a terrestrial mollusk, populations, reservation.
