CC BY
45УДК 591.111.1:599:636.014
DOI: 10.24411/0023-4885-2020-105017
ЗАКОН ГОМОЛОГИЧЕСКИХ РЯДОВ Н.И. ВАВИЛОВА И ИЗМЕНЕНИЕ ЛЕЙКОФОРМУЛЫ МЛЕКОПИТАЮЩИХ ПОД ВЛИЯНИЕМ ДОМЕСТИКАЦИИ
Влияние доместикации на лейкоформулу млекопитающих
В.А. Илюха1 *, А.Г. Кижина1, С.Н. Калинина1, Л.Б. Узенбаева1, С. Лапински2, П. Недбала2, И.И. Окулова3, Й. Ксу4, О.В. Трапезов5
1Институт биологии Карельского научного центра РАН, г. Петрозаводск, Россия
e-mail: ilyukha.62@mail.ru
e-mail: golubewa81@yandex.ru
e-mail: cvetnick@yandex.ru
e-mail: uzenb@bio.krc.karelia.ru
2Краковский сельскохозяйственный университет, г. Краков, Польша e-mail: stanislaw.lapinski@urk.edu.pl e-mail: p.niedbala@uv.krakow.pl
3Всероссийский научно-исследовательский институт охотничьего хозяйства и звероводства им. проф. Б.М. Житкова, г. Киров, Россия
e-mail: Okulova_I@mail.ru
4Даляньский технологический университет, г. Далянь, Китай e-mail: sembio@126.com
5Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск, Россия e-mail: otrapezov@academ.org
Илюха В.А.: SPIN-код: 5830-4797; AuthorID: 86880; Web of Science ResearcherID: A-5720-2014; ORCID: 0000-0002-7085-4154
Кижина А.Г.: SPIN-код: 2936-2681; AuthorID: 602884; Web of Science ResearcherID: A-6905-2014; ORCID: 0000-0003-3042-8617
Калинина С.Н.: SPIN-код: 1347-6851; AuthorID: 238392; Web of Science ResearcherID: AAB-9913-2019; ORCID: 0000-0003-1906-092X
Узенбаева Л.Б.: SPIN-код: 1982-9309, AuthorID: 86881; Web of Science ResearcherID: AAC-3135-2019; ORCID 0000-0001-8123-632X
Лапински С.: ORCID ID: 0000-0002-6813-1117, Scopus ID: 23974405400
В работе, выполненной с использованием световой микроскопии и охватывающей млекопитающих не только различных семейств, но и отрядов, проверяется гипотеза о существовании гомологичности изменчивости состава лейкоцитов крови (лейкоформулу) в связи с доместикацией. Проведённый анализ позволяет сделать вывод о том, что в результате доместикации у большинства млекопитающих происходят сходные изменения лейкоформулы, которые заключаются в возрастании содержания лимфоцитов и снижении количества нейтрофилов. Обнаруженные изменении лейкоформулы у различных представителей класса млекопитающих являются ещё одной иллюстрацией сформулированного Н.И. Вавиловым закона гомологических рядов.
Ключевые слова: млекопитающие, лейкоформула, доместикация, наследственная изменчивость
Генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов.
Н.И. Вавилов
Закон гомологических рядов, сформулированный Н.И. Вавиловым [1], указывает, что у генетически близких таксонов отмечается сходный паралеллизм наследственной изменчивости, причем эта изменчивость носит упорядоченный характер. Впоследствии выяснилось, что данное утверждение справедливо и для далеких в таксономическом отношении видов. Такая изменчивость, проявляясь в фенотипических признаках, хорошо заметна для исследователей. Например, появление пятнистости или пегости в ходе селекции норки на доместикационное поведение гомологично наблюдаемому у других не родственных им, но исторически ранее одомашненных группах животных. Использование данного знания позволяет селекционерам не только направлять, но и ускорять темпы формообразования [2].
Формирование схожих фенотипических признаков обусловлено наличием единых внутренних механизмов развития и регуляции функций у близкородственных видов. Происхождение различных структур, отличающихся как анатомически, так и функционально, из общего предшественника - нервного гребня у млекопитающих обеспечивается сходством клеточных механизмов. При доместикации затрагивается процесс формирования из нервного гребня тканей эндокринных желез [3]. Так, у доместициро-ванных крыс и лисиц размер надпочечников, а, следовательно, и концентрация адренокортико-тропных гормонов существенно ниже, по сравнению с дикими сородичами [4].
Селекция в пушном звероводстве, как и в животноводстве в целом, была направлена на отбор по хозяйственно полезным признакам. Среди животных в ряду поколений начал действовать отбор на стрессоустойчивость, генетическую адаптацию к условиям пленения, способность давать потомство в неволе, при этом агрессивные особи элиминировались из отбора. Хотя селекция на агрессивное поведение тоже имела место - например, в собаководстве. Длительность такого селекционного процесса сильно варьирует у разных видов и наблюдаемые в наши дни фено-типические изменения в результате доместика-
ции сильно различаются [5]. Следует отметить, что в природе отношение животных к человеку тоже сильно различается, чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить близкородственных песцов, лисиц и енотовидных собак.
Настоящее исследование посвящено параллелизму изменчивости состава лейкоцитов периферической крови (лейкоформулу) млекопитающих в результате доместикационных преобразований. Вышедшая в 2008 году статья А. Девиса [6] была адресована экологам. Описанные в ней колебания соотношения содержания сегменто-ядерных нейтрофилов и лимфоцитов позволяли с использованием несложных и не столь дорогостоящих методов определять наличие/отсутствие стресса у животных. Следует отметить, что для человека этот способ используется давно в диагностических и прогностических целях. Лейко-формула является достаточно чувствительным показателем, а ее изменения сохраняются более продолжительное время, чем изменение гормонального фона, которое их спровоцировало.
Под действием отбора на дружелюбие и пониженную агрессивность произошла ювенилизация (сохранения черт, характерных для ранних стадий онтогенеза) ряда признаков. В этом плане лейкофор-мула является важным индикатором, поскольку у большинства млекопитающих в ней наблюдаются закономерные возрастные изменения [7].
В настоящеё работе проверялась гипотеза, что наряду с общеизвестными фенотипическими проявлениями доместикации у животных разных видов будут наблюдаться сходные изменения лей-коформулы.
Объектами исследования являлись 6-месячные американские норки темно-коричневого окраса, содержащиеся на экспериментальной ферме Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН) (Новосибирск) и прошедшие длительную селекцию (16 - 17 поколений) на до-местикационное и агрессивное поведение. Кроме того изучались 6-месячные звери клеточного содержания, не затронутые специальным отбором: стандартные темно-коричневые американские норки (Республика Карелия), хорьки стандартного окраса (Польша) и соболи (Ленинградская обл.). Исследование также проходило на шиншиллах и нутриях клеточного содержания (Польша), а также мини-свиньях из ИЦиГ СО РАН с различной реакцией: боязливостью и отсутствием страха на человека.
Забор крови производился у животных утром натощак. Свежеприготовленные мазки крови окрашивались по методу Паппенгейма. Определение лейкоформулы на мазках крови с помощью светового микроскопа (Axioscop 40, Zeiss) производилось путем подсчета процентного соотношения различных типов лейкоцитов.
Широкое использование Интернет ресурсов, представляющих научные статьи, позволяет в отличие от их печатных вариантов обнародовать и исходные данные, которые могут быть проанализированы исследователями с интересующей их точки зрения. Для этого нами были использованы дополнительные материалы статей, находящихся в свободном доступе в различных базах данных.
Исследования выполнены на научном оборудовании Центра коллективного пользования ИБ КарНЦ РАН.
Установлено, что целенаправленная селекция на доместикационное поведение приводит к существенным перестройкам лейкоформулы. У доместицируемых норок по сравнению с контрольными и агрессивными норками выявлено достоверное увеличение содержания эозинофилов. Кроме того у ручных зверей найдено низкое содержание нейтрофильных лейкоцитов по сравнению с теми, кто демонстрировал сильную оборонительную реакцию (рис. 1). В качестве индикаторов стресса А. Девис указывал на увеличение количества нейтрофилов по отношению к лимфоцитам у млекопитающих и амфибий, а также ге-терофилов к лимфоцитам у птиц и рептилий. Подобное изменение в распределении между ней-трофилами и лимфоцитами можно наблюдать при применении экзогенных глюкокортикоидов. Также известно, что вызванная глюкокортикои-дами стресс-реакция вызывает снижение уровня эозинофилов.
Как показал сравнительно-видовой анализ, существенные различия в экспрессивности доме-стикационного поведения отражаются в лейко-формуле у трех видов куньих. Норка, хорек и соболь находятся на разных этапах одомашнивания. Норки темно-коричневого окраса, несмотря на продолжительный период разведения, сохранили многие инстинкты, свойственные родоначальной дикой форме. Им характерно высокое содержание нейтрофилов и низкое - лимфоцитов. Соболи имеют примерно равное соотношение этих двух
типов лейкоцитов, при этом среди них доля животных с ручным поведением выше, чем среди норок. Давно введённый в зоокультуру хорек имеет лимфоцитарный профиль крови, тогда как для лесного хорька, отловленного в природе, характерны более высокое количество нейтрофилов и сниженный уровень лимфоцитов [8] по сравнению с животными, содержащимися на ферме (рис. 2).
Интересные сведения можно получить при сравнении лейкоформулы у разных пород собак [9], волка и динго. Для большинства из 75 пород соотношение нейтрофилов к лимфоцитам составляло от 3 до 4 условных единиц (усл. ед.). При этом породы, дружелюбно настроенные к человеку (лабрадоры, сибирские хаски и чихуахуа), имели индекс ниже 3, а селекционируемые на агрессивное поведение (доберманы, мастифы и буль-терьеры) - между 4 и 5 усл. ед. Возврат собак в природу и их фе-рализация (динго) приводит к нивелированию породных различий предков (индекс 3,63 усл. ед.) при том, что у большинства исследованных волков в условиях естественной среды он выше 4 усл. ед., а при содержании в зоопарке понижается [10].
Вся промышленная популяция шиншилл берет свое начало всего от 13 особей, завезенных в США в 1927 году [11]. Таким образом, они подвергаются доместикационным преобразованиям менее ста лет. Первое упоминание состава лейкоформулы этих грызунов относится к 1953 году [12], т.е. чуть более чем через четверть века после введения их в зоо-культуру. Было обнаружено, что на долю лимфоцитов приходится 51% клеток, а содержание сегментоядерных нейтрофилов составляет 45%. Такое распределение характерно для большинства грызунов. В дальнейшем изучение лейкоформулы у шиншилл проводилось различными авторами для оценки состояния их здоровья [13 - 17]. В продолжительных исследованиях, выполненных совместно с польскими коллегами, нам удалось выявить закономерное снижение количества нейтрофилов и повышение уровня лимфоцитов у шиншилл. Наряду с перераспределением лейкоцитов меняется и внешний облик этого пушного животного: шиншилла становится похожей на хорошо опушенную крысу, дающую потомство три раза в год вместо одного [18]. Отмечаются
и другие эффекты доместикации у этого вида: возникновение полигамии, исчезновение сезонности в размножении, ускорение темпов роста молодых животных и достижения большей массы тела, а также появление многих цветовых типов, не существующих раньше в диких популяциях этих животных. К сожалению, не представляется возможным сравнить лейкоформулу этих грызунов, разводимых в неволе и обитающих в природе - вид внесён в Международную Красную книгу. Однако это возможно для другого грызуна, также введённого в зоокультуру - нутрии.
Для взрослой дикой нутрии характерно приблизительно равное количество лимфоцитов и сег-ментоядерных нейтрофилов (45,1% и 41,5%, соответственно) [19], тогда как у разводимых в неволе животных относительное количество лимфоцитов превышает относительное количество сегменто-ядерных нейтрофилов [20 - 21], причём как по нашим данным, так и по другим источникам [22] количество первых выше у молодых животных. Следует отметить, что данный вид разводится в условиях неволи сравнительно недавно, а условия содержания не требуют отбора животных на более дружелюбное поведение к человеку.
Показательно в этом плане сравнение диких и домашних свиней. Так, сравнение свободножи-вущих и находящихся в условиях неволи диких свиней показало, что у обитающих в дикой природе животных уровень сегментоядерных нейтро-филов был значительно выше (75%), а лимфоцитов существенно ниже (22%), чем у содержащихся в условиях неволи (53,7 и 34,4%, соответственно) и у домашних свиней [23]. На 5 обследованных фермах уровень лимфоцитов у свиней колебался от 35 до 45%, а нейтрофилов - от 45 до 58%. Изменение показателей у диких животных при их содержании в условиях неволи происходит уже на первых этапах введения в зоокультуру и доместикации. Наши собственные исследования показали, что у разводимых в ИЦиГ СО РАН мини-свиней независимо от их отношения к человеку (агрессивные животные в популяции отсутствовали) уровень лимфоцитов колебался от 42,2 до 46,2%, а нейтрофилов -от 38,9 до 41,4%.
Таким образом, проведённый анализ позволяет сделать вывод о том, что в результате доместикации у большинства млекопитающих происходят сходные изменения лейкоформулы, которые заключаются в возрастании содержания
лимфоцитов и снижении количества нейтрофилов. Ювенилизация, как эффект доместикации, может затрагивать не только фенотипические черты, но и отражается на физиологических признаках. Отмеченный параллелизм указывает, что наряду со спецификой видов, родов существует единая компонента - «гены доместикации», обеспечивающие в условиях доместикации толерантность к психоэмоциональному стрессу и выработанные в условиях вынужденной близости к человеку [2]. Утверждать насколько данные изменения "вредны", "полезны" или же нейтральны для самих животных на данный момент трудно. В обзоре о канцерогенезе у одомашненных животных одним из наиболее частых заболеваний указывается лимфома [24]. По всей видимости, повышенное содержание лимфоцитов в крови одомашненных млекопитающих не остается без последствий. Активный отбор и адаптация к неволе способствует фиксации аллелей, которые могут оказать негативные последствия при возвращении животных в естественную среду, а также на структуру местных сообществ [25 - 27].
Финансовое обеспечение исследований осуществлялось из средств федерального бюджета на выполнение государственного задания КарНЦ РАН (0218-2019-0073).
Список литературы / References
1. Вавилов Н.И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости: доклад на 3-ем Всероссийском селекционном съезде в г. Саратове 4 июня 1920 г. - Саратов: Губполи-графотдел, 3-е отд-ние, 1920. - 16 с. Vavilov N.I. Law of homological series in hereditary variability: doklad na 3-em Vserossijskom selek-cionnom syezde v g. Saratove 4 iyunya 1920 g.
- Saratov: Gubpoligrafotdel, 3-e otd-nie, 1920. (In Russ.)
2. Трапезов О.В. Гомологические ряды изменчи-
вости окраски меха у американской норки (Mustela vison Schreber, 1777) в условиях доместикации // Вестник ВОГиС. - 2007. - Т. 11.
- № 3-4. - С. 547-559. Trapezov O.V. Homologous series of fur color variability in American mink (Mustela vison Schreber, 1777) detected under domestication // Bulletin VOG and S [Vestnik VOGiS]. - 2007. - Vol. 11. - issue 3/4.
- pp. 547-560. (In Russ)
3. Wilkins A.S., Wrangham R.W. The "domesti-
cation syndrome" in mammals: a unified explanation based on neural crest cell behavior and genetics // Genetics. - 2014. - Vol. 197.
- issue 3. - pp. 795-808. D0I:10.1534/ge-netics.114.165423
4. Уилкинс А.С. «Синдром одомашнивания» в
свете геномных данных // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2017. - Т. 21. - № 4. - С. 435-442. Wilkins A.S. Revisiting two hypotheses on the "domestication syndrome" in light of genomic data // Vavilov journal of genetics and breeding [Vavilovskij zhurnal genetiki i selekcii]. - 2017. - Vol. 21.
- issue 4. - pp. 435-442. (In Russ). DOI 10.18699/VJ17.262
5. Sánchez-Villagra M.R., Geiger M. The taming of
the neural crest: a developmental perspective on the origins of morphological covariation in domesticated mammals // Royal Society Open Science. - 2016. - Vol. 3. - issue 6. - pp. 1-12. DOI: 10.1098/rsos.160107
6. Davis A.K., Maney D.L. The use of leukocyte pro-
files to measure stress in vertebrates: a review for ecologists // Functional Ecology. - 2008. -Vol. 22. - pp. 760-772. DOI: 10.1111/j.1365-2435.2008.01467.x
7. Узенбаева Л.Б., Виноградова И.А. Возрастные
изменения лейкоцитарной формулы и морфо-метрических параметров больших гранулярных лимфоцитов крови крыс при различных режимах освещения // Успехи геронтологии. -2006. - № 19. - С. 79-84. Uzenbaeva L.B., Vino-gradova I.A. Age related changes in rat blood leucocytes count and morpho-metrical parameters of large granular lymphocytes under different light regimes // Advantage of gerontology [Uspekhi ger-ontologii]. - 2006. - Vol. 19. - pp. 79-84. (In Russ)
8. Kollias G.V., Fernandez-Moran J. Mustelidae //
Fowler's Zoo and Wild Animal Medicine. -2015. - Vol. 8. - pp. 476-491. DOI: 10.1016/B978-1-4557-7397-8.00048-7
9. Lawrence J, Chang Y-M.R. Breed-Specific hema-
tological phenotypes in the dog: A natural resource for the genetic dissection of hematologi-cal parameters in a mammalian species // PLoS ONE. - 2013. - Vol. 8. - issue 11. - e81288. doi:10.1371/journal.pone.0081288.
10. Hawkey C.M. Comparative mammalian haema-tology: cellular components and blood coagulation of captive wild animals. - William Heinemann book Ltd: London, Great Britain, 2017. -310 p.
11. Anderson S.H, Jones J.K. Orders and families of recent mammals of the world. - John Wiley and Sons: New York, USA, 1984. - 686 p.
12. Newberne P.M. A preliminary report on the blood picture of the South American chinchilla. // Journal of the American Veterinary Medical Association. - 1953. - Vol. 122. - issue 912. -pp. 221.
13. Kitts W.D., Krishnamurti C.R. Cellular blood constituents and serum protein fractions of the chinchilla (Chinchilla lanigera) // Canadian Journal of Zoology. - 1971. - Vol. 49. - issue 8. - pp. 1079-1084. DOI: 10.1139/z71-167
14. Dougherty T.F. The acute effects of Ra on blood cells of chinchillas / Research in Radiobiology, Salt Lake City, University of Utah college of medicine, radiobiology division of the department of anatomy, annual Report of progress in the internal irradiation program, March of1966. - pp. 85-93.
15. Casella R.L. The peripheral hemogram in the chinchilla // Modern Veterinary Practice. - 1963.
- Vol. 44. - issue 6. - pp. 66-68.
16. Kraft H. Das morphologische blutbild Von Chinchilla velligera (Prell 1934) // Blut. - 1959. - Vol. 5. - pp. 386-387.
17. Strike T.A. Hemogram and bone marrow differential of the chinchilla // Laboratory Animal Care. - 1970. - Vol. 20. - pp. 33-38.
18. Барабаш Б. Доместикация шиншиллы: Chinchilla lanigera // Вестник ВОГиС. - 2007. - Т. 11. - №1. - С. 115-121. Barabash B. Domestication of chinchilla: Chinchilla lanigera // Bulletin VOG and S [Vestnik VOGiS]. - 2007. - Vol. 11. - issue 1. - pp. 115-121. (In Russ)
19. Martino P.E., Arauz S.M. Hematology and serum biochemistry of free-ranging nutria (Myocastor coypus) // Journal of Zoo and Wildlife Medicine.
- 2012. - Vol. 43. - issue 2. - pp. 240-247. DOI: 10.1638/2010-0154.1
20. Jelinek P., Glasrova M. The white blood cell picture in male nutria in the postnatal period // Vet-erinarni Medicina. - 1982. - Vol. 27. - issue 6. -pp. 337.
-Q
с; s
-8-
0
1 s
со о О
%
-4
А
-2
0
г= 0,25 р<0.05 п= 85
у= 8.54+0,57
Экспрессивность доместикационного поведения, баллы
л I— s =г
о
-8-
л с; s
-8-
о
CL I-
Ф X
Усл. 4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0 -4
ед.
-2
0
г= -0,29 р<0.01 п= 85
у= 0.92-0,06
Экспрессивность доместикационного поведения, баллы
Рис. 1. Зависимость содержания эозинофилов (А) и соотношения нейтрофилов к лимфоцитам (Б) от экспрессивности доместикационного поведения норок. Выраженность поведения оценивали в баллах: с реакцией страха - 0, ручные от +1 до +5 баллов, агрессивные -1 и -2 балла
Fig. 1. Dependence of the eosinophils count (A) and the ratio of neutrophils to lymphocytes (B) on the expressiveness of domestication behavior. The expressiveness of behavior was assessed in points:
Рис. 2. Состав лейкоцитов крови у фермерских и диких хорьков Fig. 2 Differential leukocyte count in farm and wild polecats
21. Skalska H., Baranska H. Obraz morfotyczny krwi obwodowej u nutrii chowanych systemem polwolnym. Zeszyty naukowe Wyszej szkoly rolniczej we Wroclawiu // Zootechnika. - 1959.
- Vol. 21. - pp. 3-17.
22. Scheuring W. Bratkowska E. Badanie wskazni-kow hematologicznych nutrii (Myocastor coy-pus, Molina 1782) // Medycyna Weterynaryjna.
- 1976. - Vol. 32. - pp. 239-241.
23. Pitorri F., Carmichael N. Comparison of serum biochemistry and haematology values in captive and free-ranging wild boar (Sus scrofa) // Comparative Clinical Pathology. - 2015. - Vol. 24. -issue 2. - pp. 281-286. DOI: 10.1007/s00580-014-1891-0
24. Thomas F., Giraudeau M. Rare and unique adaptations to cancer in domesticated species: An untapped resource? // Evolutionary Applications. -2020. - Vol. 13. - issue 7. - pp.1605-1614. DOI: 10.1111/eva.12920
25. Allendorf F.W., Leary R.F. The problems with hybrids: setting conservation guidelines // Trends in Ecology and Evolution. - 2001. - Vol. 16. -pp. 613-622. DOI: 10.1016/S0169-5347(01)02290-X
26. Lynch M., O'Hely M. Captive breeding and the fitness of natural populations // Conservation Genetics. - 2001. - Vol. 2. - pp. 363-378.
27. Randi E. Detecting hybridization between wild species and their domesticated relatives // Molecular Ecology. - 2008. - Vol. 17. - pp. 285293. DOI: 10.1111/j.1365-294X.2007.03417.x
N.I. VAVILOV'S LAW OF HOMOLOGICAL SERIES AND CHANGES IN MAMMALIAN LEUCOFORMULA UNDER THE INFLUENCE OF DOMESTICATION
V.A. Ilyukha1' *, A.G. Kizhina1, S.N. Kalinina1, L.B. Uzenbayeva1, S. Lapinski2, P. Niedbala2, I.I. Okulova3, Y. Xu4, O.V. Trapezov5
1 Institute of biology, Karelian Research Centre, Russian Academy of Sciences, Petrozavodsk, Russia e-mail: ilyukha.62@mail.ru, golubewa81@yandex.ru, cvetnick@yandex.ru, uzenb@bio.krc.karelia.ru
2 Agricultural University of Krakow, Krakow, Poland
e-mail: stanislaw.lapinski@urk.edu.pl, p.niedbala@uv.krakow.pl
3 Russian Research Institute of Game Management and Fur Farming, Kirov, Russia e-mail: Okulova_I@mail.ru
4 Dalian University of Technology, Dalian, China e-mail: sembio@126.com
5 Institute of Cytology and Genetics Siberian Department, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, Russia
e-mail: otrapezov@academ.org
Using light microscopy of blood of mammals from different families and orders the hypothesis of the existence of homologous variability in the composition of blood leukocytes (differential leukocyte count) in connection with domestication was tested. The analysis allows us to conclude that as a result of domestication majority of mammals have similar changes in the differential leukocyte count which consist in an increasing the lymphocytes content and a decreasing the neutrophils number. The changes detected in the differential leukocyte count in various representatives of the mammalian species are one of the illustrations of N. I. Vavilov's law of homological series. Key words: mammals, leucoformula, domestication, hereditary variability.
