CC BY
44
Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 5(1) ============================== ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ =============================
УДК 595.771:591.5:591.4
ТАКСОНОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХИРОНОМИД (DIPTERA, CHIRONOMIDAE) УРАЛА И СОПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
© 2014 С.И. Белянина1, Т.Н. Филинкова2
1 Саратовский государственный медицинский университет, г. Саратов 2Уральский государственный педагогический университет, г. Екатеринбург
Поступила 28.06.2014
В данной статье приводятся данные по видовому составу и генотипической изменчивости хирономид Урала и сопредельных территорий.
Ключевые слова', хирономиды, кариотипический анализ, хромосомный и геномный полиморфизм
Хирономиды широко представлены на всех континентах и играют значительную роль в наземных и водных биоценозах, что объясняет важность их видовой диагностики. Вместе с тем таксономическое изучение хирономид затруднено наличием в данном семействе близкородственных морфологически почти не различимых видов. На I Международном симпозиуме по хирономидам, прошедшем в начале шестидесятых годов в Плене, кариологический анализ хирономид, основанный на изучении строения политенных хромосом из клеток слюнных желез личинок, рекомендован как обязательный при проведении фаунистиче-ских исследований обсуждаемой нами группы двукрылых насекомых. Кариологический анализ является основой не только таксономического изучения хирономид, но и позволяет оценить уровень геномного и хромосомного полиморфизма, а в ряде случаев является весьма информативным в решении вопросов видообразования.
Материалом наших исследований послужили личинки хирономид, собранные согласно общепринятой гидробиологической методике. Промывку проб производили через шелковый газ № 23-32. Личинок хирономид фиксировали на месте сбора в жидкости Карнуа (спирт-уксусная смесь в соотношении 3:1), в которой личинок и хранили, производя периодическую смену фиксатора. Для кариологического анализа готовили давленые препараты политенных хромосом из клеток слюнных желез по этил-орсеиновой методике [7, 8]. Слюнные железы окрашивали 1,5-2% этил-орсеином в течение двух суток, после чего излишки орсеина смывали 70% этиловым спиртом и переносили железы на 2-3 часа в каплю 20% молочной кислоты, затем освобождали железы от секрета и накрывали покровным стеклом, слегка на него надавливая. Микрофотографирование кариотипов проводили на микроскопе «Эргавал» преимущественно при увеличении микроскопа
Белянина Светлана Ивановна, доктор биологических наук, профессор, [email protected]; Филинкова Татьяна Николаевна, кандидат биологических наук, доцент, [email protected]
ок. х 7, об. х 40. Анализ хромосом производили на временных препаратах, выбирая хромосомы со средней степенью политении. При картировании хромосом использовали стандартные цитофотокарты.
По природным особенностям Урал подразделяется на Полярный, Приполярный, Северный, Средний и Южный. К Уралу обычно относят и возвышенность Зауралья. Первые исследования кариотипов личинок хирономид Полярного Урала и Ямала позволили выявить новую комбинацию хромосомных плеч - GAB, CD, EF (цитокомплекс tshernovsky) и кариологически описать два близкородственных вида [1, 2, 3], позднее описанных из Скандинавии [15] как Chironomus fraternus Wulker 1991 (2п=8, цитокомплекс thummi) и Ch beljanina Wulker 1991 (2n=6, цитокомплекс tshernovsky).
В результате последующих исследований фауны хирономид Полярного Урала, Ямала и Приобской лесотундры с использованием морфологического и кариологического методов было обнаружено еще 9 видов, все они оказались новыми для науки, из них 8 видов - рода Chironomus - Ch. borealis (2п=8, цитокомплекс thummi), Ch. oben-sis (2n=8, цитокомплекс thummi), Ch. globulus (2n=8, цитокомплекс thummi), Ch.sp. (2n=8, цитокомплекс thummi), Ch. laetus (2n=8, цитокомплекс pseudothummi), Ch. frequentatus (2n=8, цитокомплекс lacunarius), Ch. fundatus (2n=8, цитокомплекс maturus), Ch. wulkeri (2n=6, цитокомплекс modified maturus) и один вид из рода Сатр-tochironomus - Camptochironomus obscurus. (2n=8, цитокомплекс camptochironomus) [4, 5, 10, 11, 12, 13]. Для данных видов характерен низкий уровень хромосомного полиморфизма, частота гетерозиготных инверсий на особь колеблется от 0,02 у Ch. frequentatus до 0,9 у Ch. obensis. В-хромосомы у изученных видов не встречены.
При изучении районов Заполярья нами выявлено два случая хромосомного видообразования. Кариологическое изучение из водоемов Полярного Урала и Ямала двух симпатрично обитающих видов с 2п=6 и 2п=8 позволило предположить происхождение вида с 2п=6 от вида с 2n=8 [1, 2].
521
Водные экосистемы
Изучение метаморфоза и кариотипов этих двух видов из водоемов центральной Финляндии и Швеции Вюлькером [15] подтвердило возникновение Ch beljanina (2п=6, цитокомплекс tsher-novsky) в результате тандемного присоединения хромосомы IV центромерным участком к теломерному району плеча А хромосомы I в кариотипе Ch. fraternus (2п=8, цитокомплекс thummi). Вторая пара близкородственных обитающих сим-патрично видов - Ch fundatus и Ch. wulkeri обнаружена нами на Полярном Урале. Данные сравнительной цитогенетики выявили происхождение кариотипа Ch. wulkeri (2п=6, цитокомплекс modified maturus) в результате тандемного присоединения плеч Е и G в кариотипе Ch. fundatus (2n=8, цитокомплекс maturus). Ранее эти виды были известны кариологически только из водоемов Северной Швеции как Ch. sp. 1 и Ch. sp. 2 [14].
На Северном Урале нами было обследовано три водоема. Во всех трех водоемах был обнаружен только Ch. borokensis Kerkis, Filippova, Sho-banov, Gunderina et Kiknadze 1988. В окрестностях г. Ивделя из р. Лозьвы у 23,3% личинок Ch. borokensis выявлена гетерозиготная инверсия в хромосомном плече А, у 20% личинок имеется гетерозиготная инверсия в хромосомном плече В и у 3,3% обнаружена гетерозиготная инверсия в хромосомном плече D. Число гетерозиготных инверсий на особь в данной популяции Ch. borokensis составило 0,46. Из временного водоема на окраине пос. Бокситы Североуральского городского округа гетерозиготные инверсии у Ch. borokensis обнаружены в плече D у 20,9% особей, таким образом, число гетерозиготных инверсий на особь в данной популяции составило 0,2. В третьем североуральском водоеме - карстовой впадине в 3-х км от пос. Калья - гетерозиготные инверсии у Ch. borokensis отмечены в плече А у 11,1% особей, таким образом, число гетерозиготных инверсий на особь составило 0,11. В-хромосомы во всех трех североуральских популяциях Ch. borokensis нами не обнаружены.
Средний Урал в наших исследованиях представлен тремя территориями - Верхотурье, окрестности Екатеринбурга и два водоема южнее Екатеринбурга. В районе Верхотурья было обследовано четыре водоема, во всех обнаружено два близкородственных вида Ch. plumosus Linnaeus 1758 и Ch. borokensis. Доля Ch. borokensis в изученных водоемах изменялась от 7,6% до 85,3%. У Ch. plumosus во всех водоемах хромосомные инверсии в гетерозиготном состоянии отмечены в плече А (до 33,3%); в плече D (до 50%); в трех водоемах гетерозиготные инверсии отмечены в плече С (до 33,3%); в одном водоеме отмечены инверсии в гетерозиготном состоянии в плече В (8,3%). Число гетерозиготных инверсий на особь для Ch. plumosus в верхотурских популяциях изменялось от 0,8 до 1,3. В-хромосомы отмечены
в одном из водоемов у 2,6% личинок. Для Ch. borokensis гетерозиготные инверсии во всех верхотурских популяциях отмечены в плече А (до 16,7%), в трех водоемах отмечены гетерозиготные инверсии в плече В (до 18,8%) и плече D (31,3%). Число гетерозиготных инверсий на особь изменялось от 0,2 до 0,7. В-хромосомы у Ch. borokensis не обнаружены ни в одном из изученных водоемов из окрестностей Верхотурья.
На Среднем Урале в окрестностях Екатеринбурга обследовано семь водоемов. В пяти из них встретился только Ch. Plumosus. Для данного вида отмечено 10 типов гетерозиготных инверсий во всех хромосомных плечах, кроме плеч F и G. Число гетерозиготных инверсий на особь изменялось от 0,8 до 1,2. Геномный полиморфизм не отмечен ни в одном из пяти водоемов. В двух водоемах из окрестностей Екатеринбурга кариоло-гический анализ выявил наличие Ch. thummi Kief-fer 1910. Все кариотипы Ch. thummi оказались мономорфными и имели стандартную последовательность хромосомных дисков.
В южной части Среднего Урала обследован пруд в пос. Бисерть и пруд в селе Бакряж. В обоих водоемах были обнаружены Ch. plumosus и Ch. entis Shobanov 1989. Доля Ch. entis составила от 2,5% до 8,25%. При исследовании инверсионного фонда Ch. plumosus из данных водоемов в общей сложности обнаружено шесть типов инверсий в гетерозиготном состоянии. Инверсии выявлены в плечах А, С, D, Ей F. Число гетерозиготных инверсий на особь у Ch. plumosus в обоих водоемах составляет 0,9. Геномный полиморфизм по В-хромосоме отмечен у 5,6% особей в бисертском водоеме и у 14,9% особей в бакряжском. Из восьми личинок Ch. entis, обнаруженных в бисертском пруду, у двух особей отмечена гетерозиготная инверсия в плече А. Из двух личинок Ch. entis, обнаруженных в бакряжском пруду, у одной особи отмечена гетерозиготная инверсия также в плече А. В бакряжской популяции встретилось 11 личинок Ch. curabilis Beljanina et all. 1990.
На Южном Урале нами было изучено пять водоемов. В четырех водоемах обнаружено два вида Ch. plumosus и Ch. entis. Доля Ch. entis изменялась от 9,7% до 26,4%. В озере Агашкуль у Ch. plumosus выявлено четыре типа инверсий в гетерозиготном состоянии. По одному типу инверсий в хромосомных плечах А, С, D и F. В плече А хромосомные перестройки выявлены у 12,7% особей, в плече С - у 4,5% особей, в плече D - у 0,7% особей и в плече F - у 0,7% особей. Число гетерозиготных инверсий на особь у Ch. plumosus из озера Агашкуль составляет 0,6. Геномный полиморфизм по В-хромосоме отмечен у 1,5% особей Ch. plumosus. У Ch. entis из озера Агашкуль обнаружены гетерозиготные инверсии в двух плечах. Хромосомное плечо А имело инверсии у 23,3% особей и в хромосомном плече С инверсии в ге-
522
Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 5(1)
терозиготном состоянии отмечены у 3,3% особей. Число гетерозиготных инверсий на особь у Ch. entis из озера Агашкуль составило 0,3, геномный полиморфизм по В-хромосоме не выявлен. В озере Карагуз у Ch. plumosus, выявлено три типа гетерозиготных инверсий. В хромосомном плече А обнаружена гетерозиготная инверсия у 8% личинок, в хромосомном плече В - у 12% личинок и в хромосомном плече С - у 2% личинок. Число гетерозиготных инверсий на особь у Ch. plumosus из оз. Карагуз составило 0,22. Изучены кариотипы 18 личинок Ch entis, у 16,7% особей обнаружена гетерозиготная инверсия в плече А, число гетерозиготных инверсий на особь составило 0,16. Геномный полиморфизм у представителей рода Chironomus из озера Карагуз не обнаружен. В оз. Иткуль у Ch. plumosus обнаружено два типа гетерозиготных инверсий. В хромосомном плече А выявлена гетерозиготная инверсия у 38,0% личинок, в хромосомном плече В обнаружена гетерозиготная инверсия у 0,2% личинок. Число гетерозиготных инверсий на особь у Ch. plumosus из оз. Иткуль составило 0,3. У Ch. entis гетерозиготные инверсии обнаружены в хромосомном плече А (30%), число гетерозиготных инверсий на особь составило 0,33. Геномный полиморфизм у представителей рода Chironomus из оз. Иткуль не обнаружен.
В оз. Силач кроме Ch. plumosus и Ch. entis обнаружен Ch. borokensis. У Ch. plumosus обнаружено два типа гетерозиготных инверсий. В хромосомном плече А выявлена гетерозиготная инверсия у 21,2% личинок, в хромосомном плече В обнаружена гетерозиготная инверсия у 5,9% личинок. Число гетерозиготных инверсий на особь у Ch. plumosus из оз. Силач составило 0,27. Кариотипический анализ выявил у Ch. entis два типа гетерозиготных инверсий в хромосомных плечах А (три личинки) и С (одна личинка). В-хромосомы у Ch. plumosus и Ch. entis из оз. Силач не обнаружены. Кариотип единственной личинки Ch. borokensis из оз. Силач оказался мономорф-ным.
В оз. Сунгуль (система Каслинских озер) ка-риологический анализ выявил только представителей Ch. plumosus. У личинок Ch. plumosus из оз. Сунгуль обнаружено три типа гетерозиготных инверсий. Наиболее полиморфным оказалось хромосомное плечо В. Гетерозиготные инверсии отмечены в данном плече у 53,6% особей. У 30,4% изученных особей выявлена гетерозиготная инверсия в хромосомном плече А и у 17,9% особей выявлена гетерозиготная инверсия в хромосомном плече С. Число гетерозиготных инверсий на особь составило 1,02. У каждой четвертой особи отмечено сочетание в одном кариотипе по две и по три гетерозиготных инверсии. Геномный полиморфизм по В-хромосоме у Ch. plumosus из
оз. Сунгуль не обнаружен.
В Южном Зауралье нами было изучено три водоема. Во всех водоемах отмечено два вида Ch. plumosus и Ch. entis. Доля Ch. entis изменялась по разным водоемам от 26,7% до 59,6%. При исследовании инверсионного фонда популяции Ch. plumosus оз. Беркут обнаружено шесть типов инверсий в гетерозиготном состоянии. Инверсии выявлены в плечах А, В, С, D и Е, при этом в плече В обнаружено два типа гетерозиготных инверсий. Число гетерозиготных инверсий на особь у Ch. plumosus из оз. Беркут составляет 0,6, геномный полиморфизм по В-хромосоме отмечен у 5% особей. У Ch. plumosus из оз. Кривское у 35% личинок отмечена гетерозиготная инверсия в плече А, таким образом число гетерозиготных инверсий на особь в данной популяции Ch. plumosus составляет 0,4. Геномный полиморфизм по В-хромосоме отмечен у 1,7% особей в выборке из
оз. Кривское. Для личинок Ch. plumosus из оз. Беликуль гетерозиготные инверсии отмечены в хромосомном плече А (41,4%), Число гетерозиготных инверсий на особь составило 0,4. В - хромосомы у Ch. plumosus отмечены у 1,4% особей. У Ch. entis из данного водоема гетерозиготные инверсии отмечены только в плече А, число гетерозиготных инверсий на особь составило 0,4. В-хромосомы у Ch. entis из оз. Беликуль не обнаружены.
Таким образом, в условиях Заполярья нами обнаружены виды новые для науки, на остальных обследованных нами территориях были выявлены Ch. thummi и близкородственные виды группы «plumosus»: Ch. plumosus, Ch. entis, Ch. borokensis, Ch. curabilis. При этом возможно отметить приуроченность Ch. borokensis к водоемам Северного Урала, a Ch. entis к водоемам Южного Урала и Южного Зауралья. Сравнение уровня генотипической изменчивости между Ch. plumosus, Ch. entis и Ch. borokensis позволяет заключить, что наиболее изменчивым является Ch. plumosus. У Ch. plumosus число гетерозиготных инверсий на особь на Среднем Урале составляет 0,8-1,3; на Южном Урале - 0,22-1,02 и в Южном Зауралье -0,4-0,6. Таким образом, ниже всего в Южном Зауралье. Для сравнения, в популяциях Ch. plumosus Палеарктики число гетерозиготных инверсий на особь в среднем составляет 0,95 [6]. Количество особей Ch. plumosus с В-хромосомой по нашим данным колеблется от 1,4 до 14,9%. В изученных нами водоемах у Ch. entis число гетерозиготных инверсий на особь изменяется от 0,25 до 0,47. По литературным данным для Ch. entis уровень гете-розиготности колеблется в достаточно широких пределах - от 0,15 до 1,6 гетерозиготных инверсий на особь [9]. В-хромосомы у Ch. entis нами отмечены только в Южном Зауралье у 2,6-2,9% особей. У Ch. borokensis число гетерозиготных инверсий на особь на Северном Урале составила 0,11-0,46, на Среднем Урале несколько выше 0,20,7. В-хромосомы у Ch. borokensis не отмечены.
523
Водные экосистемы
Сравнение по территориям позволяет заключить,
что Ch plumosus и Ch borokensis обладают наибольшей кариотипической изменчивостью на
Среднем Урале, Ch entis в Южном Зауралье.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белянина С.И. Кариотипический анализ хирономид (Chironomidae, Diptera) фауны СССР: дис. ... докт. биол. наук. М., 1983. 418 с.
2. Белянина С.И. Современное состояние кариофондов хирономид в водоемах СССР // Эволюция, видообразование и систематика хирономид. Новосибирск, 1986. С. 45-49.
3. Белянина С.И., Сигарева Л.Е. Эволюция кариотипа в семействе хирономид // Двукрылые насекомые и их значениев сельском хозяйстве. Л., 1987. С. 115-117.
4. Белянина С.И, Филинкова Т.Н. Морфология и кариотипы трех симпатрических видов рода Chironomus (Diptera; Chironomidae) из водоемов Заполярья // Зоол. жури. 1996а. Т. 75, №5. С. 113-123.
5. Белянина С.И., Филинкова Т.Н. Chironomus obensis, sp.n. (Diptera; Chironomidae) из роайона нижней Оби // Зоол. жури. 19966. Т. 75, № 7. С. 763-770.
6. Голыгина В.В. Дивергенция кариотипов голарктических видов Chironomus группы plumosus в Палеаркги-ке и Неарктике (Diptera; Chironomidae). Автореф. Дис. ... канд. биол. наук. Новосибирск, 1999. 17 с.
7. Демин С.Ю., Ильинская Н.Б. Изменение компактности политенных хромосом из разных органов личинок мотыля Chironomus plumosus II Цитология. 1988. Т. 30, №4. С. 407-415.
8. Демин С.Ю., Шобанов НА. Кариотип комара Chironomus entis из группы plumosus в европейской части СССР//Цитология. 1990. Т. 30, № 11. С. 1364-1372.
9. Петрова НА., Клишко О.К Цитодиагностика, инверсионный полиморфизм и В - хромосомы трех видов -двойников Chironomus группы «plumosus» (Diptera; Chironomidae) из Восточной Сибири // Зоол. жури. 2005. Т. 84, № 8. С. 838-849.
10. Филинкова Т.Н., Белянина С.И. Новый вид рода Chironomus (Diptera; Chironomidae) из водоемов Полярного Урала и Ямала // Зоол. жури. 1993а. Т.72, №4. С. 8087.
11. Филинкова Т.Н., Белянина С.И. Характеристика двух северных видов комаров-звонцов рода Chironomus (Diptera; Chironomidae) // Зоол. жури. 19936. Т. 72, № 10. С. 113-123.
12. Филинкова Т.Н., Белянина С.И. Новый вид рода Сатр-tochironomus (Diptera; Chironomidae) из Заполярья // Зоол. жури. 1994. Т. 73, № 6. С. 61-67.
13. Филинкова Т.Н., Белянина С.И. Характеристика личинки и кариотипа Chironomus sp. (Diptera; Chironomidae) с полуострова Ямал // Материалы XIV съезда Русского энтомологического общества. СбП., 2012. С. 439-440.
14. Wulker W. Karyosystematics and morphology of two north european species of the Chironomus matures- Complex (Diptera; Chironomidae) //Entomol. Gener. 1985. Vol. 10, №2. P. 125-132.
15. Wulker W. Chromosomal, morphological and biological differences between Chironomus tenuistylus Brundin and C.longistylus Goetghebuer (Diptera; Chironomidae) in FennoscandiaandtheUSA//Ent. Scand. 1991. Vol. 22. P. 231-240.
INVESTIGATION OF TAXONOMY OF CHIRONOMIDS (DIPTERA, CHIRONOMIDAE) OF URAL AND NEIGHBOURING REGIONS
© 2014 S.I. Belyanina1, T.N. FilinKova2
1 Saratovs State Medical University, Saratov 2Urals State Pedagogical University, Ekaterimburg
In this article we described composition of species and level of genomic and chromosomal polymorphism of chironomids of Ural and neighbouring regions.
Key words, chironomids, karyotypic analysis, chromosomal and genomic polymorphism
Belyanina Svetlana, Doctor of Biology, Professor, [email protected]; Filimova Tatyana, Candidate of Biology, Associate Professor, [email protected]
524
