Генетико-эволюционные и таксономические взаимоотношения у видов-двойников Drosophila группы virilis Палеарктики

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

им. Ф. Скорины»

Биологический факультет

Генетико-эволюционные и таксономические взаимоотношения у видов-двойников Drosophila группы virilis Палеарктики

Курсовая работа

Исполнитель:

Студентка группы К-42 ____________ Лапухова А.Ю.

Научный руководитель: Загрушевская Т.Е.

Гомель 2005

Содержание

Введение

1 Материалы и методы

2 Результаты и обсуждение

3 Электрофоретический ключ для типировки взрослых особей

Заключение

Литература

Введение

Более полувека виды-двойники Drosophila группы virilis являются одними из основных объектов для различных генетических исследований. Представители этой группы двойниковых видов успешно использовались в качестве модельной системы для изучения процессов видообразования (Patterson, Stone, 1952; Майр,1963; Гончаренко и др., 1989), генетики развития (Корочкин и др., 1975), молекулярной эволюции (Nei, 1971; Throckmorton, 1982; Spicer, Bell, 2002), а также таксономии и систематики (Гончаренко, Емельянов, 1990; Goncharenko, Emeljanov,1992). В пределах группы virilis в настоящее время насчитывается 14 видов-двойников, которые подразделяются на две филады - филада virilis и montana. Несмотря на то, что виды Drosophila группы virilis широко использовались в генетических экспериментах многие вопросы касающиеся таксономических и эволюционно-филогенетических взаимоотношений между ними остаются предметом дискуссий.

Целью данной работы является анализ генетико-эволюционных и таксономических взаимоотношений у видов-двойников Drosophila группы virilis, обитающих в природных популяциях Палеарктики с использованием генов, кодирующих различные изоферменты.

1. Материалы и методы

Ареалы распространение палеарктических видов-двойников Drosophila группы virilis обитающих в природных популяциях на территории России, Беларуси и сопредельных стран, а также месторасположение проанализированных популяций показаны на рис. 1. D. virilis Sturtevant встречается только в южных районах Палеарктики на винных и соковых заводах. По данному виду проанализированы особи из 3 популяций (Украина - Закарпатье, Россия - Краснодарский край). Другие 4 вида обитают в естественных лесах, вблизи незагрязненных рек и водоемов. D. lummei Hackman распространена севернее D. virilis, однако ареалы этих двух видов отчасти перекрываются в районах Закарпатья, Кавказа и Японских островов. Особи D. lummei взяты для анализа из 7 популяций (Молдавия, Беларусь, Финляндия, Россия - Краснодарский край, Московская и Новосибирская обл.). D. montana Stone, Griffen, Patterson, по-видимому, имеет типичный бореомонтанный ареал. Выборка особей этого вида была сделана в 4 популяциях (Украина - Карпаты, Россия - Краснодарский край, Карелия, Камчатка). Представители вида D. ezoana Takada, Okada отловлены и проанализированы нами в 5 популяциях (Алтай, Приморский край, Камчатка, Сахалин). Подвид D. littoralis littoralis Meigen исследован в 20 популяциях (Украина, Беларусь, Финляндия, Кыргызстан, Россия - Карелия, Алтай, Московская и Новосибирская обл.,). Особи другого подвида - D. littoralis imeretensis Goncharenko, Mitrofanov, Sokolov, обитающего только на Кавказе, исследованы в 8 популяциях (Россия - Краснодарский край, Грузия).

Название и расположение популяций Drosophila группы virilis*. D.virilis: г. Краснодар, КК, 1981**; г. Северский, КК, 1981; г. Мукачево, Укр, 1986. D. lummei: вблизи г. Тирасполь, Мл, 1984; вблизи г. Геленджик, КК, 1982; вблизи г. Гомель, Бл, 1983-1986; вблизи г. Орша, Бл, 1985; вблизи г. Москва, МО; вблизи г. Оулу, Фн; р. Обь в 100 км южнее г. Новосибирск, НО, 1985-1988. D. montana; вблизи г. Геленджик, КК, 1982; вблизи г. Мукачево, Укр, 1986; Карельское побережье Белого моря, Кр, 1985; р. Камчатка в 200 км от устья, КО, 1988. D. ezoana: р. Катунь, АК, 1988; Уссурийский заповедник, ПК, 1987; заповедник "Кедровая Падь", ПК, 1987; р. Камчатка в 200 км от устья, КО, 1988; вблизи г. Южносахалинск, СО, 1990. D. l. littoralis: вблизи г. Мукачево, Укр, 1986; р. Латорица в 10 км восточнее Мукачево, Укр, 1985; г. Воловец, Укр, 1986; вблизи г. Черновцы, Укр, 1985; Галые болота восточнее г. Гомель, Бл, 1981-1984; ручей в 10-км южнее г. Гомель, Бл, 1984-1987; вблизи г. Речица, Бл, 1985; п. Гаголи, недалеко от устья р. Березина, Бл, 1985; вблизи г. Орша, Бл, 1985; вблизи г. Цесие, Лт, 1989; национальный парк "Гауя", Лт, 1989; вблизи п. Кропотово, МО; вблизи г. Оулу, Фн; Карельское побережье Белого моря, КР, 1985; вблизи г. Талас, Кз, 1986-1987; Таш-Арык в 15 км восточнее г. Талас, Кз, 1987; Киргизский хребет р. Кен-Кол, Кз, 1986; Чаткальский хребет в верховьях р. Чаткал, Кз, 1988; р. Обь в 100 км южнее г. Новосибирск, НО,1887-1989; р. Катунь, АК, 1989. D. l. imeretensis: вблизи г. Геленджик, КК, 1982; п. Лермонтовка побережье Черного моря, КК, 1981; п. Мирный в 45 км севернее п. Лермонтовка, КК, 1981; п. Убинка в 60 км севернее п. Лермонтовка, КК, 1982; р. Безымянка в 30 км севернее п. Лермонтовка; вблизи п. Гумати, Гр; вблизи п. Мцхета, Гр; п. Кеда восточное побережье Черного моря, Гр.

Отловленных взрослых самок отсаживали в отдельные пробирки для откладки яиц, а самцов подвергали электрофоретическому исследованию. Через несколько дней после откладки яиц самок также анализировали на изоферментный состав. Для определения генотипа самца, оплодотворившего самку, исследовали от 2 до 10 взрослых потомков от каждой самки. Данные по популяциям Грузии, Московской обл. и Финляндии получены на основании анализа лабораторных линий. В этих случаях считалось, что каждая линия несет только один геном дикого типа.

Взрослые особи палеарктических видов Drosophila группы virilis исследовались методом электрофореза. Каждая особь гомогенизировалась в 25 мкл дистиллированной воды или гелевого буфера. Электрофоретическое фракционирование гомогенизированных экстрактов индивидуальных особей проводилось нами по 11 ферментам в 13-14% крахмальном геле с использованием двух буферных систем: А) трис-ЭДТА-боратная, рН 8.6; В) трис-цитрат, рН 6.2. Все параметры электрофоретического фракционирования, а также экстракция и гистохимическое выявление ферментов подробно приведены нами ранее (Гончаренко и др., 1984; Гончаренко, 1987; Goncharenko et al., 1985). Название ферментов, их кодовый номер, предпочитаемая для анализа буферная система, а также количество используемых локусов приведены в табл.1. Каждая муха была исследована по 15 генам, кодирующим 11 ферментов (табл.1.). Обозначение выявленных электрофоретических вариантов дано по общепринятой номенклатуре Пракаша с соавторами (Prakash et al., 1969), в соответствии с которой наиболее часто встречающийся электроморф по каждому локусу у D. virilis и кодирующий его аллель обозначались символом 1.00, а все другие аллельные варианты, встреченные у проанализированных нами видов Drosophila группы virilis обозначены цифровыми символами в зависимости от их электрофоретической подвижности относительно 1.00. Нулевые аллели обозначены символом 0.

Таблица 1. Ферменты и количество локусов, использованные для анализа видов-двойников Drosophila группы virilis Палеарктики

Для оценки генетической близости и дифференциации среди представителей Drosophila группы virilis использовался коэффициент генетической дистанции Неи, DN (Nei, 1972), который учитывает различия в аллельных частотах всех проанализированных локусов:

DN= - ln IN ,

где xij и yij -- частоты i-того аллеля j-того локуса сравниваемых таксонов.

Если DN равно 0, то таксоны идентичны. Чем больше значение DN, тем менее они родственны. Считается, что коэффициент дистанции Неи дает наиболее точные оценки генетической дифференциации, и поэтому он широко используется практически всеми исследователями. Дендрограмма отражающая картину генетических взаимоотношений между исследованными видами Drosophila группы virilis на основании коэффициентов DN была построена путем невзвешенного парногруппового метода кластерного анализа (UPGMA) (Sneath, Sokal, 1973).

Еще одним достоинством коэффициента генетической дистанции Неи (DN) является то, что он позволяет рассчитывать время дивергенции (t) таксонов различного ранга исходя из следующего соотношения:

где с - доля аминокислотных замещений, которая может быть определена посредством электрофореза, n - общее количество кодонов, связанных с синтезом полипептида, и л - средняя скорость аминокислотных замещений (Nei, 1971). Согласно Неи (1971), t = 7.4 105DN. Имеется также другая оценка временной шкалы, предложенная Неи в более поздней работе, где t = 5 106DN (Nei, 1975).

2. Результаты и обсуждение

В ходе электрофоретического исследования особей пяти видов Drosophila группы virilis из 47 природных популяций удалось выявить 89 различных электрофоретических вариантов. В результате проведенного нами всестороннего генетического анализа было установлено, что эти 89 электрофоретических вариантов, выявленных по 11 ферментным системам у представителей Drosophila группы virilis, находятся под генетическим контролем 15 локусов. Наглядное изображение электрофоретических спектров диагностических локусов кислой фосфотазы-1, эстеразы и малик энзима у исследованных видов Drosophila группы virilis с выявленными электрофоретическими вариантами приведено на рис. 2, 3 и 4. Все обнаруженные нами 89 аллельных вариантов шести видов-двойников Drosophila группы virilis из природных популяций и их относительная электрофоретическая подвижность схематически изображены на рис. 5.

Аллельные частоты по 15 локусам для всех шести исследованных представителей Drosophila группы virilis отображены в табл. 2. Следует подчеркнуть, что в популяционных исследованиях использованы только локусы с установленной нами генетической детерминацией. При анализе особей шести видов оказалось, что локусы Fum, б-Gpdh, m-Mdh являются мономорфными поскольку по этим генам у всех видов группы virilis найден только один аллель. Наибольшая изменчивость обнаружена по генам, кодирующим б-эстеразу-3, Я-эстеразу-2, кислую фосфотазу-1. В каждом из этих локусов встретилось более 10 аллелей. Из таблицы 2 следует, что самыми близкими генетическими структурами обладают D. l. littoralis и D. l. imeretensis. Эти аллопатрические подвиды (Гончаренко и др., 1989) существенно различаются по трем генам Me, Я-Est-2, б-Est-3, хотя даже в этом случае качественного уровня разница между подвидами достигла только по локусу Me (табл.2). Качественно различающиеся локусы, по которым можно определять видовую принадлежность особи с ошибкой менее 5%, Айалой, Пауэллом и Левонтиным было предложено называть диагностическими (Ayala, Powell, 1972; Левонтин 1978).

Из табл. 2 видно, что ни один ген не является диагностическим для всех пяти видов. Наиболее информативным оказался локус Me, по которому высоко диагностические различия в аллельных частотах имеются даже у аллопатрических подвидов D. l. littoralis и D. l. imeretensis. Достаточно удобными для диагностики видов-двойников группы virilis являются гены Acph-1, Pgm, Я-Est-2 и б-Est-3. Что касается гена б-Est-4, то этот локус имеется только у D. montana. Однако он позволяет легко отнести каждую исследуемую особь к D. montana или к другим видам двойникам группы virilis.

В табл. 3 ниже диагонали приведены числа высоко диагностических локусов по каждой паре исследованных видов. Как и следовало ожидать, наименьшее количество высоко диагностических локусов (один) обнаружено у подвидов D. l. littoralis и D. l. imeretensis. Виды D. virilis и D. lummei, которые входят в филаду virilis (Throckmorton, 1982), различаются только по трем диагностическим генам Pgm, Acph-1, Idh, (табл. 3). Подвиды D. l. imeretensis, D. l. littoralis и виды D. montana, D. ezoana входящие в другую филаду двойниковых видов - филаду montana, отличаются между собой несколько больше. Здесь различия найдены по 5 - 6 высоко диагностическим генам. В целом разница между видами из разных филад достигает семи диагностических генов и превышает внутрифиладные различия. Если экстраполировать результаты, полученные по 15 локусам на весь геном, то можно предположить, что у видов-двойников группы virilis из разных филад более 60% структурных генов несут видоспецифические аллели. В настоящее время это самый большой процент диагностических различий, найденный у двойниковых видов Drosophila (Kojima et al.,1970; Ayala, Powell, 1972; Anderson et al., 1977; Pinsker, Buruga, 1982).

Таблица 2. Аллельные частоты по 15 локусам у D. virilis, D. lummei, D. l. littoralis, D. l. imeretensis, D. montana и D. ezoana

Страницы: 1, 2