CC BY
20
УДК 591.557:599.322.2
DOI 10.21685/2307-9150-2018-4-5
С. С. Закс, А. А. Кузьмин, М. Д. Симаков, С. В. Титов
ОСОБЕННОСТИ МЕТАПОПУЛЯЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ АРЕАЛА КРАПЧАТОГО СУСЛИКА В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ И ЕСТЕСТВЕННОЙ ФРАГМЕНТАЦИИ СРЕДЫ1
Аннотация.
Актуальность и цели. Одной из важнейших фундаментальных проблем современной биологии является проблема устойчивости биологического вида в условиях сильной фрагментированной и конкурентной среды. В этой связи актуальны два направления исследований: изучение внутреннего полиморфизма и устойчивости локальных популяций к негативным действиям внешней и внутренней среды и исследования генетической подразделенности популяций, возникающей в результате естественной и антропогенной фрагментации среды обитания (метапопуляционный подход). Целью исследования было на основе уже полученных и новых данных выявить особенности метапопуля-ционной структуры ареала крапчатого суслика в Поволжье и факторы ее современного становления.
Материалы и методы. Материалом для работы послужили первичные генетические данные по полиморфизму ДНК в популяциях крапчатого суслика в Ульяновской области (n = 24), а также результаты обобщенного анализа генетических данных по метапопуляциям. При использовании программ MEGA 7.0.21 и DnaSP 5.10 были проанализированы 32 объединенные нуклео-тидные последовательности двух маркеров мтДНК (D-loop и Cyt b).
Результаты. Полученные результаты ML-анализа и анализа полиморфизма нуклеотидных последовательностей мтДНК крапчатого суслика показывают низкую генетическую дифференциацию северных метапопуляций S. susli-cus (Восточной, Центральной, Северной и Северо-Западной) и высокую генетическую обособленность от них Южной метапопуляции.
Выводы. Метапопуляционная структура восточной части ареала крапчатого суслика организована по метапопуляционной модели, в которой представляется более вероятным существование только двух разобщенных генетических группировок локальных популяций, разделенных долиной р. Сызранки, - Южной и Северной метапопуляций.
Ключевые слова: крапчатый суслик, митохондриальная ДНК, ядерная ДНК, микросателлиты, метапопуляционная структура, Поволжье.
1 Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 16-34-60059 мол_а_дк (С. С. Закс) и проекта № 18-04-00687 а (А. А. Кузьмин, М. Д. Симаков, С. В. Титов).
© 2018 Закс С. С., Кузьмин А. А., Симаков М. Д., Титов С. В. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.
S. S. Zaks, A. A. Kuz'min, M. D. Simakov, S. V. Titov
FEATURES OF THE METAPOPULATION STRUCTURE OF THE EASTERN PART OF THE SPOTTED GROUND SQUIRREL HABITAT IN CONDITIONS OF ANTHROPOGENIC AND NATURAL FRAGMENTATION OF ENVIRONMENT
Abstract.
Background. Sustainability of biological species in a highly fragmented and competitive environment is an important fundamental problem of modern biology. Two areas of research are relevant: the study of internal polymorphism and the stability of local populations to the negative effects of the external and internal environment and the study of genetic subdivision of populations resulting from natural and anthropogenic fragmentation of the habitat (metapopulation approach). The aim of the study is to reveal the features of the metapopulation structure of the Spotted Ground Squirrel area in the Volga region and the factors of its modern formation on the basis of already obtained and new genetic data.
Materials and methods. The primary genetic data on DNA polymorphism in the populations of the Spotted Ground Squirrel in Ulyanovsk region (n = 24) and the results of the generalized analysis of genetic data on metapopulations were the material for the work. 32 combined nucleotide sequences of two mtDNA markers (D-loop and Cyt b) were analyzed using MEGA 7.0.21 and DnaSP 5.10.
Results. The results of ML-analysis and analysis of polymorphism of nucleotide sequences of mtDNA of the Spotted Ground Squirrel show a low genetic differentiation of the Northern metapopulations of the S. suslicus (Eastern, Central, Northern and North-Western) and high genetic differentiation of the southern metapopulation.
Conclusions. The metapopulation structure of the Eastern part of the Spotted Ground Squirrel squirrel area is organized according to the metapopulation model, which assumes the presence of only two genetically subdivided groups of local populations. These metapopulation geographically isolated to the river valley of Syzrani and named the South and North populations.
Keywords: Spotted Ground Squirrel, mitochondrial DNA, nuclear DNA, microsatellites, metapopulation structure, Volga region.
Одной из важнейших фундаментальных проблем современной биологии является проблема устойчивости биологического вида в условиях сильной фрагментированной и конкурентной среды. Эту проблему можно решать c позиций двух основных перспективных направлений исследований. В первую очередь с позиций внутреннего полиморфизма и устойчивости локальных популяций к негативным действиям внешней и внутренней среды. Проводя подобные исследования, можно получить информацию о механизмах поддержания в условиях естественной и антропогенной фрагментации среды внутривидового полиморфизма [1]. Второе направление исследований связано с изучением генетической подразделенности популяций, возникающей в результате естественной и антропогенной фрагментации среды обитания (метапопуляционный подход) [2]. Результаты таких исследований позволят судить о популяционно-генетических механизмах формирования и долговременного существования устойчивой метапопуляционной структуры ареала обитания, а также о способствующих этому процессу экологических факторах. Таким образом, и в первом и во втором случае исследования спо-
собны внести вклад в решение указанной научной проблемы в части выявления критических факторов и основных механизмов, определяющих внутривидовую дифференциацию и генетическое разнообразие особей [3].
Целью исследования было на основе уже полученных данных по генетическому полиморфизму популяций крапчатого суслика и по результатам обобщенного генетического анализа метапопуляций S. suslicus выявить особенности метапопуляционной структуры ареала крапчатого суслика в Поволжье и факторы ее современного становления.
Материалы и методы
Материалом для работы послужили первичные генетические данные по полиморфизму ядерной, митохондриальной и микросателлитной ДНК, полученные в исследованиях популяций крапчатого суслика в Ульяновской области (n = 24), результаты анализа которых частично уже опубликованы [4-7], а также результаты обобщенного анализа генетической данных по метапопу-ляциям крапчатого суслика. При использовании программ MEGA 7.0.21 [8] и DnaSP 5.10 [9] были проанализированы 32 объединенные нуклеотидные последовательности двух маркеров мтДНК (D-loop и Cyt b).
Результаты и обсуждение
Проведенный ранее генетический анализ полиморфизма ядерных и микросателлитных маркеров в 24 популяциях крапчатого суслика в Ульяновской области, а также экологический анализ биотопической приуроченности поселений и роли физических барьеров для фрагментации его ареала позволил выделить пять метапопуляций S. suslicus: I - Южной (Сызранской), II - Восточной (Приволжской), III - Центральной, IV - Северной, V - СевероЗападной (Присурской) (рис. 1) [4-7].
С целью проверки и подтверждения метапопуляционной группировки изолированных популяций крапчатого суслика был проведен ML-анализ объединенных последовательностей мтДНК (D-loop и Cyt b, 2140 пн) крапчатого суслика в пакете программ MEGA 7.0.21 с использованием эволюционной модели HKY+I (модель Хасегава - Кишино - Яно; значение эволюционной нейтральности сайтов (+I) - 47,8 %, максимальный логарифм правдоподобия (lnL): -3825,93). Выбор эволюционной модели в ML-анализе определяется результатами модель-теста, по которым по использованным митохондриаль-ным маркерам для модели HKY+I были получены минимальные значения Байесового информационного критерия (BIC) - 8397,87 и информационного критерия Акайке (AlCc) - 7786,01.
Изменчивость фрагментов мтДНК крапчатого суслика (доля нуклео-тидных замен) оказалась низкой даже для внутривидового уровня. Доля замен изменяется в пределе от 1,5 до 0,0 % и в среднем составляет 0,8 ± 0,1 %. При этом соотношение транзиций и трансверсий (Ts/Tv) составило 3,02 (R), а нуклеотидные частоты составили для основания A - 29,8 %, T - 33,4 %, C - 24,5 % и G - 12,3 %.
Анализ нуклеотидных последовательностей методом ML с использованием модели HKY+I с учетом неравномерности скорости эволюционных процессов позволил построить кладограмму и выявить генетическую связь отдельных географически изолированных популяций крапчатого суслика,
а также объединить некоторые из них в группировки (метапопуляции) (рис. 2). Сравнение результатов этой кластеризации популяций с ранее полученной при анализе ареалогических и генетических данных [5-7] показало, что первая выделяет с определенной степенью надежности только Южную (I) и Северную (IV) метапопуляцию.
Рис. 1. Метапопуляционная структура ареала крапчатого суслика в Ульяновской области: 1 - лесные массивы; 2 - крупные реки и их поймы; метапопуляции: I - Южная (Сызранская); II - Восточная (Приволжская); III - Центральная;
IV - Северная; V - Северо-Западная (Присурская) (по [3])
Внутри метапопуляций изменчивость последовательностей невелика и варьирует от 0,7 до 0,3 % и в среднем составляет 0,50 ± 0,10 %. Межпопуля-ционные различия по этому показателю выше и перекрывают внутрипопуля-ционную изменчивость. Они изменяются от 1,1 до 0,4 % и в среднем составляют 0,63 ± 0,13 %. При этом максимальные различия между метапопуля-циями были получены при парном сравнении Южной метапопуляции со всеми другими - в среднем до 1,0± 0,2 (%) нуклеотидных различий, что подтверждает ее генетическую обособленность. Для других метапопуляций (при сравнении только между собой без данных по Южной метапопуляции) были получены более низкие показатели. Так, для Восточной метапопуляции
они составили 0,7 ± 0,1 %, для Центральной - 0,8 ± 0,1 %, для Северной -0,8 ± 0,1 %, для Северо-Западной - 0,7 ± 0,1 %. В целом уровень эволюционной дифференциации проанализированных нуклеотидных последовательностей составляет 0,347 ± 0,054.
Рис. 2. Результаты генетического ML-анализа (модель HKY+I) нуклеотидных последовательностей (n = 32) участка мтДНК (D-loop+Cyt b, 2140 пн), показывающие филогенетические отношения между митотипами, характеризующими современные популяции крапчатого суслика в восточной части ареала. В узлах - результаты будстреп-анализа (1000 реплик), шкала - генетические дистанции между митотипами. Метапопуляции: I - Южная (Сызранская); II - Восточная (Приволжская); III - Центральная; IV - Северная; V - Северо-Западная (Присурская)
Анализ гаплотипического и нуклеотидного разнообразия популяций крапчатого суслика по фрагменту мтДНК (D-loop и Cyt b, 2140 пн) проводили в программе DnaSP 5.10. Было проанализировано 32 секвенса. Число сегрегирующих сайтов составило 90, число мутаций - 97. Было выделено 30 гапло-типов (h), гаплотипическое разнообразие (Hd) составило 0,996, нуклеотидное разнообразие (Pi) - 0,00754, сходство нуклеотидных последовательностей (С) -0,958, среднее число нуклеотидных различий (k) - 16,129.
При сравнении пяти группировок гаплотипов, характеризующих выделенные метапопуляции, максимальные значения показателей среднего числа нуклеотидных различий (k), нуклеотидного разнообразия (Pi) и индекса Джукса - Кантора (DXY) были получены при сравнении Южной метапопу-ляции со всеми остальными (16,02, 0,00784 и 0,0099 соответственно). Эти же показатели при сравнении других метапопуляций (только между собой без данных по Южной метапопуляции) имеют более низкие значения - 10,63, 0,00497 и 0,0056 соответственно).
Таким образом, полученные результаты ML-анализа и анализа полиморфизма нуклеотидных последовательностей мтДНК крапчатого суслика показывают низкую генетическую дифференциацию северных метапопуля-ций S. suslicus (Восточной, Центральной, Северной и Северо-Западной) и высокую генетическую обособленностей от них Южной метапопуляции. Аналогичные результаты были получены по генетической разобщенности южной популяции у большого суслика, обитающего в правобережных районах Ульяновской области. Как показывают ареалогические исследования, крапчатый суслик активно восстанавливает свои поселения после депрессии в пределах кружева ареала симпатрически обитающего с ним большого суслика [3]. В результате такой ареальной динамики на территории Ульяновской области в пределах современной зоны симпатрии крапчатого и большого сусликов возникают новые контактные поселения этих видов и отмечаются факты случайной их гибридизации.
Для проверки этого предположения был проведен анализ полиморфизма нуклеотидных последовательностей (DnaSP 5.10) только двух группировок популяций крапчатого суслика (метапопуляций) - Южной, аутентичной таковой из первой метапопуляционной модели, и Северной, представляющей собой совокупность всех популяций сусликов, расположенных севернее р. Сызранки (рис. 3). Как Южная, так и Северная вновь сформированные метапопуляции характеризуются более высокими и почти равными показателями среднего числа нуклеотидных различий (k) и нуклеотидного разнообразия (Pi) - 12,59, 0,0059 и 11,10, 0,0052 соответственно. В целом метапопуля-ционные группировки, сформированные по второй метапопуляционной модели ареала крапчатого суслика, являются «хорошо» дифференцированными, что доказывают полученные результаты сравнения их генетических показателей. Значения показателей среднего числа нуклеотидных различий (k), нук-леотидного разнообразия (Pi) и индекса Джукса - Кантора (DXY), полученных при сравнении, оказались выше показателей анализа генетического разнообразия внутри каждой из метапопуляций - 16,13, 0,0075 и 0,0099 соответственно.
Проведенный D Tajima-тест выявил еще одну интересную особенность метапопуляционной структуры крапчатого суслика в восточной части ареала.
Почти достоверные (0,1 <p< 0,05) отрицательные значения показателя Tajima's D (-1,248) свидетельствуют о низком числе выявленных гаплотипов по сравнению с числом сегрегирующих сайтов, т.е. низких частотах редких гаплотипов, и указывают на возможный рост числа популяций и населения после прохождения «бутылочного горлышка» в период депрессии численности. На такую демографическую экспансию указывают высокие отрицательные и почти достоверные (0,1 < p < 0,05) показатели Fu и Li's D*, Fu и Li's F*, Fu и Fs: -1,876, -1,971, -13,884 соответственно.
Заключение
Проведенный анализ нуклеотидных последовательностей двух маркеров мтДНК (D-loop и Cyt b) крапчатого суслика достоверно выявил существующую генетическую дифференциацию географически разобщенных популяций, обнаруженных в Ульяновской области. Анализ метапопуляционной модели крапчатого суслика, включающей в себя пять разобщенных группировок популяций, выявил низкую генетическую дифференциацию локальных популяций севернее р. Сызранки, показав, однако, их высокую разобщенность с Южной метапопуляцией. Эти данные указывают на существование процесса роста числа популяций и населения крапчатого суслика после прохождения «бутылочного горлышка» в период депрессии численности и возможный процесс формирования метапопуляционной структуры ареала этого вида в северных районах исследуемого региона. Поэтому на современном этапе более достоверна генетическая структура восточной части ареала крапчатого суслика, организованная по второй метапопуляционной модели, по которой представляется более вероятным существование только двух разобщенных генетических группировок его локальных популяций, разделенных долиной р. Сызранки - Южной и Северной метапопуляций.
Библиографический список
1. Алтухов, Ю. П. Генетические процессы в популяциях / Ю. П. Алтухов. - М. : Академкнига, 2003. - 431 с.
2. Hanski, I. A practical model of metapopulation dynamics / I. Hanski // Journal of Animal Ecology. - 1994. - Vol. 63. - P. 151-162.
3. Динамика ареалов и современное состояние поселений наземных беличьих в правобережных районах Поволжья / С. В. Титов, А. А. Кузьмин, Р. В. Наумов, О. А. Ермаков, С. С. Закс, О. В. Чернышова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2015. - 124 с.
4. Закс, С. С. Современное распространение и биотопические предпочтения крапчатого суслика (Spermophilus suslicus Güld.) в Среднем Поволжье / С. С. Закс, А. А. Кузьмин, С. В. Титов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2016. - № 3 (15). - С. 50-59. - DOI 10.21685/23079150-2016-3-5.
5. Закс, С. С. Генетическая структура популяций крапчатого суслика (Spermophilus suslicus Güld.) в Среднем Поволжье по данным анализа яДНК / С. С. Закс, А. А. Кузьмин, С. В. Титов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2016. - № 4 (16). - С. 3-13. - DOI 10.21685/23079150-2016-4-1.
6. Закс, С. С. Генетическая структура популяций крапчатого суслика (Spermophilus suslicus Güld.) в Среднем Поволжье по данным анализа микросателлитной
ДНК / С. С. Закс, А. А. Кузьмин, С. В. Титов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2017. - № 3 (19). - С. 50-62. -DOI 10.21685/2307-9150-2017-3-5.
7. Закс, С. С. Влияние физических барьеров и экологических факторов на фрагментацию ареала и генетическое разнообразие популяций крапчатого суслика (Spermophilus suslicus Guld.) в Среднем Поволжье / С. С. Закс, О. В. Чернышова, А. А. Кузьмин, С. В. Титов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2017. - № 4 (20). - С. 20-34. - DOI 10.21685/23079150-2017-4-2.
8. Kumar, S. MEGA7: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 7.0 for bigger datasets / S. Kumar, G. Stecher, K. Tamura // Molecular Biology and Evolution. -2016. - Vol. 33. - P. 1870-1874.
9. Librado, P. DnaSP v5: A software for comprehensive analysis of DNA polymorphism data / P. Librado, J. Rozas // Bioinformatics. - 2009. - № 25. - P. 1451-1452.
References
1. Altukhov Yu. P. Geneticheskie protsessy v populyatsiyakh [Genetic processes in populations]. Moscow: Akademkniga, 2003, 431 p.
2. Hanski I. Journal of Animal Ecology. 1994, vol. 63, pp. 151-162.
3. Titov S. V., Kuz'min A. A., Naumov R. V., Ermakov O. A., Zaks S. S., Chernyshova O. V. Dinamika arealov i sovremennoe sostoyanie poseleniy nazemnykh belich'ikh v pravo-berezhnykh rayonakh Povolzh'ya [Dynamics of habitats and modern condition of settlements of ground squirrels in the right bank ares of the Volga river]. Penza: Izd-vo PGU, 2015, 124 p.
4. Zaks S. S., Kuz'min A. A., Titov S. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Estestvennye nauki [University proceedings. Volga region. Natural sciences]. 2016, no. 3 (15), pp. 50-59. DOI 10.21685/2307-9150-2016-3-5.
5. Zaks S. S., Kuz'min A. A., Titov S. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Estestvennye nauki [University proceedings. Volga region. Natural sciences]. 2016, no. 4 (16), pp. 3-13. DOI 10.21685/2307-9150-2016-4-1.
6. Zaks S. S., Kuz'min A. A., Titov S. V. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Estestvennye nauki [University proceedings. Volga region. Natural sciences]. 2017, no. 3 (19), pp. 50-62. DOI 10.21685/2307-9150-2017-3-5.
7. Zaks S. S., Chernyshova O. V., Kuz'min A. A., Titov S. V. Izvestiya vysshikh ucheb-nykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Estestvennye nauki [University proceedings. Volga region. Natural sciences]. 2017, no. 4 (20), pp. 20-34. DOI 10.21685/2307-91502017-4-2.
8. Kumar S., Stecher G., Tamura K. Molecular Biology and Evolution. 2016, vol. 33, pp. 1870-1874.
9. Librado P., Rozas J. Bioinformatics. 2009, no. 25, pp. 1451-1452.
Закс Светлана Сергеевна кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Научно-учебная лаборатория молекулярной экологии и систематики животных, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: s.s.zaks@yandex.ru
Zaks Svetlana Sergeevna Candidate of biological sciences, senior researcher, scientific and educational laboratory of molecular ecology and systematics of animals, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Кузьмин Антон Алексеевич кандидат биологических наук, доцент, кафедра биотехнологий и техносферной безопасности, Пензенский государственный технологический университет (Россия, г. Пенза, проезд Байдукова/ул. Гагарина, 1а/11)
E-mail: kuzmin-puh@yandex.com
Симаков Максим Дмитриевич аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: maksimakov@bk.ru
Титов Сергей Витальевич доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой зоологии и экологии, декан факультета физико-математических и естественных наук, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: svtitov@yandex.ru
Kuz'min Anton Alekseevich Candidate of biological sciences, associate professor, sub-department of biotechnology and technosphere safety, Penza State Technological University (1a/11 Baidukova lane/Gagarina street, Penza, Russia)
Simakov Maksim Dmitrievich
Postgraduate student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Titov Sergey Vital'evich Doctor of biological sciences, professor, head of sub-department of zoology and ecology, dean of the Faculty of Physics, Mathematics and Natural sciences, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 591.557:599.322.2 Закс, С. С.
Особенности метапопуляционной структуры восточной части ареала крапчатого суслика в условиях антропогенной и естественной фрагментации среды / С. С. Закс, А. А. Кузьмин, М. Д. Симаков, С. В. Титов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2018. - № 4 (24). - С. 42-50. - DOI 10.21685/2307-9150-2018-4-5.
