The level of geneflow in natural populations of Drosophila littoralis (Diptera: Drosophilidae) of East Eurasia.pdf Работа выполнялась в рамках научного сотрудничества между Институтомбиологии развития Н.К. Кольцова РАН (г. Москва, Россия) и Гомельским госу-дарственным университетом им. Ф. Скорины (г. Гомель, Республика Беларусь).Представители двукрылых видов-двойников Drosophila группы virilis ус-пешно использовались в качестве модельной системы для изучения процес-сов видообразования [1-3], генетики развития [4-5], молекулярной эволюции[6-8], а также таксономии и систематики [9-10]. Основным микроэволюци-онным фактором, сглаживающим действие естественного отбора, дрейфа ге-нов и мутационного процесса, лежащих в основе генетической дифферен-циации природных популяций, является генный поток. Именно генный потокпутем обмена наследственным материалом между популяциями выравниваетих генетическую структуру, позволяя виду сохранять единый генофонд. Ве-личина генного потока зависит от сложного взаимодействия различных мик-роэволюционных сил и может серьезно различаться в изолированных илинепрерывных популяциях одного вида.134 Г.Г. Гончаренко, А.А. Сурков, В.Г. МитрофановВ последние десятилетия с появлением генетических маркеров у исследо-вателей впервые возникла возможность точно оценивать величину генногопотока. Однако исследования, направленные на его измерение у высших на-секомых в Восточной Евразии непосредственно в природных популяциях,практически отсутствуют. Удобной моделью для оценки генного потока вприродных популяциях насекомых является хорошо генетически изученнаяDrosophila littoralis Meigеn - восточно-евразийский представитель двойнико-вых видов, входящих в группу virilis.Целью нашей работы была оценка уровня генного потока в 15 природныхпопуляциях у вида D. littoralis в Восточной Евразии на основе использованияв качестве молекулярно-генетических маркеров 14 генов, кодирующих изо-ферменты.Материалы и методы исследованияD. littoralis обитает вблизи незагрязненных лесных водоемов. Её взрослыеособи были отловлены в 15 природных популяциях (рис. 1), которые нахо-дятся в восточной части ареала распространения данного вида на территорииВосточной Евразии [8, 9, 11].Название популяций, места обитания и год отлова исследованных особейD. littoralis: 1) «Мукачево» - вблизи г. Мукачево, Украина, 1986; 2) «Латорица» -р. Латорица в 10 км восточнее Мукачево, Украина, 1985; 3) «Воловец» - г. Воло-вец, Украина, 1986; 4) «Черновцы» - вблизи г. Черновцы, Украина, 1985;5) «Днепровская» - вблизи г. Речица, Белоруссия, 1985, 2003-2005; 6) «Гомельручейная» - ручей в 10 км южнее г. Гомель, Белоруссия, 1984-1987, 2003-2005;7) «Гомель болотная» - Галые болота восточнее г. Гомель, Белоруссия, 1981-1984, 2003-2005; 8) «Орша» - вблизи г. Орша, Белоруссия, 1985; 9) «Латвия» -вблизи г. Цесие, Латвия, 1989; 10) «Кропотово» - вблизи п. Кропотово, Москов-ская обл., Россия, 1980; 11) «Финляндия» - вблизи г. Оулу, Финляндия, 1980;12) «Карелия» - Карельское побережье Белого моря, Карелия, Россия, 1985;13) «Новосибирск» - р. Обь в 100 км южнее г. Новосибирск, Новосибирскаяобл., Россия, 1987-1989; 14) «Алтай» - р. Катунь в 80 км южнее г. Бийск, Алтай-ский край, Россия, 1989; 15) «Талас» - вблизи г. Талас, Кыргызстан, 1986-1987.Местоположение проанализированных популяций показано на рис. 1.Изученные популяции были разделены на группы: европейская группа -популяции 1-12, сибирская - 13-14 и тянь-шаньская - 15. В свою очередь 12чисто европейских популяций подразделяются на южно-европей-ские - 1-4(Украина), восточно-европейские - 5-10 (Белоруссия, Россия, Латвия) и се-веро-европейские - 11-12 (Финляндия, Карелия).Взрослые особи вида D. littoralis исследовались методом электрофореза.Каждая особь гомогенизировалась в 25 мкл дистиллированной воды или ге-левого буфера. Электрофоретическое фракционирование гомогенизирован-ных экстрактов индивидуальных особей проводилось нами по 11 ферментамв 13-14%-ном крахмальном геле с использованием двух буферных систем:А) трис-ЭДТА-боратная, рН 8,6; В) трис-цитрат, рН 6,2. Все параметры элек-трофоретического фракционирования, а также методики экстракции и гисто-Уровень генного потока у Drosophila littoralis 135химического выявления ферментов подробно приведены нами ранее [1, 12,13]. Обозначение выявленных электрофоретических вариантов дано по об-щепринятой номенклатуре Пракаша с соавт. [14].Для выявления значения параметров генетической подразделённости по-пуляций использовали показатели FST [15] и GST [16]. Величина генного по-тока (Nem) определялась из соотношения Nem = (1-FST)/4FST, где FST - коэф-фициент подразделенности популяций [15].Рис. 1. Места обитания проанализированных популяций и распространениеD. littoralis на территории Восточной Евразии:«●» - популяции, «▬» - граница распространенияРезультаты исследования и обсуждениеВ ходе электрофоретического исследования особей D. littoralis из 15 при-родных популяций по 11 ферментным системам удалось выявить 41 различ-ный электрофоретический вариант, находящийся, как было показано ранее[17-18], под генетическим контролем 14 локусов.Для оценки генетической структуры были рассчитаны частоты встречае-мости аллелей в каждой из 15 исследованных популяций D. littoralis. Аллель-ные частоты по 14 проанализированным генам представлены в табл. 1.Как видно из табл. 1, полностью мономорфными в исследованных попу-ляциях являются четыре локуса: Fum, α-Gpdh, с-Mdh, m-Mdh, поскольку покаждому из них найден только один аллель. Наибольшая изменчивость обна-ружена по генам, кодирующим α-эстеразу-3, ß-эстеразу-2, кислую фосфатазу-1и октанолдегидрогеназу (табл. 1).136 Г.Г. Гончаренко, А.А. Сурков, В.Г. МитрофановТ а б л и ц а 1Аллельные частоты в исследованных природных популяциях D. littoralisЛокус, П о п у л я ц и иаллели Мук Лт Вол Чер Дн Г-р Г-б Орш Лат Кр Фин Кар Нов Алт Тал1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16PGMn 101 18 10 36 62 106 156 4 8 4 3 10 4 12 360,40 0,029 0,000 0,000 0,027 0,032 0,009 0,006 0,000 0,000 0,250 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0270,80 0,971 1,000 1,000 0,918 0,952 0,973 0,969 0,750 1,000 0,750 1,000 1,000 0,750 0,750 0,9731,00 0,000 0,000 0,000 0,055 0,016 0,009 0,019 0,250 0,000 0,000 0,000 0,000 0,250 0,167 0,0001,20 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,009 0,006 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,083 0,000MEn 136 18 10 36 62 106 156 4 8 4 3 10 4 12 361,10 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,006 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,20 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,994 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000HK-1n 90 18 10 36 62 106 136 4 8 4 3 10 4 12 361,00 0,011 0,055 0,000 0,000 0,032 0,000 0,014 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,40 0,989 0,945 1,000 1,000 0,919 0,982 0,979 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,0001,80 0,000 0,000 0,000 0,000 0,032 0,009 0,007 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0002,00 0,000 0,000 0,000 0,000 0,016 0,009 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000HK-8n 90 18 10 36 62 106 136 4 8 4 3 10 4 12 361,00 1,000 1,000 1,000 1,000 0,968 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,0001,05 0,000 0,000 0,000 0,000 0,032 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000FUMn 90 20 10 36 62 106 144 4 0 4 3 10 0 0 361,00 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,000 1,000 1,000 1,000 0,000 0,000 1,000α-EST-3n 132 25 10 36 68 116 149 4 0 4 4 10 0 0 360,90 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,008 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0000,95 0,190 0,200 0,100 0,194 0,132 0,155 0,255 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0831,00 0,023 0,040 0,100 0,166 0,059 0,086 0,042 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,02 0,257 0,320 0,400 0,306 0,324 0,302 0,315 0,250 0,000 0,250 0,250 0,700 0,000 0,000 0,7341,10 0,333 0,200 0,300 0,223 0,324 0,379 0,248 0,500 0,000 0,250 0,750 0,200 0,000 0,000 0,1281,14 0,197 0,240 0,100 0,111 0,162 0,069 0,140 0,250 0,000 0,500 0,000 0,100 0,000 0,000 0,055β-EST-2n 134 22 10 35 63 112 154 4 8 4 3 10 4 10 361,36 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,007 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,39 0,000 0,000 0,000 0,000 0,016 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,44 0,045 0,000 0,200 0,000 0,111 0,125 0,104 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,46 0,023 0,000 0,000 0,000 0,016 0,000 0,032 0,000 0,000 0,500 0,000 0,200 0,000 0,000 0,0001,48 0,701 0,454 0,600 0,886 0,587 0,572 0,565 0,500 0,750 0,500 1,000 0,700 0,500 0,600 0,0831,51 0,231 0,545 0,200 0,114 0,270 0,303 0,292 0,500 0,250 0,000 0,000 0,100 0,500 0,400 0,917ACPH-1n 135 22 10 36 62 106 152 4 9 4 3 8 4 12 361,03 0,007 0,000 0,000 0,000 0,000 0,038 0,040 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,08 0,918 0,955 1,000 0,805 0,823 0,840 0,809 1,000 0,556 1,000 1,000 0,750 0,750 0,500 1,0001,14 0,053 0,000 0,000 0,056 0,064 0,094 0,092 0,000 0,333 0,000 0,000 0,125 0,000 0,250 0,0001,20 0,023 0,045 0,000 0,139 0,113 0,028 0,059 0,000 0,111 0,000 0,000 0,125 0,250 0,250 0,000ADHn 136 22 10 36 62 80 112 4 8 4 3 6 4 12 361,00 0,000 0,000 0,000 0,000 0,016 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,40 1,000 1,000 1,000 1,000 0,984 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000Уровень генного потока у Drosophila littoralis 137О к о н ч а н и е т а б л. 11 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ODHn 28 4 4 0 30 52 12 0 0 2 1 0 0 0 00,95 0,035 0,000 0,000 0,000 0,000 0,019 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,00 0,895 1,000 1,000 0,000 0,901 0,943 0,917 0,000 0,000 0,500 1,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,05 0,035 0,000 0,000 0,000 0,000 0,038 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,10 0,035 0,000 0,000 0,000 0,066 0,000 0,083 0,000 0,000 0,500 0,000 0,000 0,000 0,000 0,0001,20 0,000 0,000 0,000 0,000 0,033 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000α-GPDHn 2 0 0 0 0 0 2 0 8 0 0 0 4 12 61,00 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,000 1,000 1,000 1,000c-MDHn 2 0 0 0 0 0 2 0 8 0 0 0 4 12 61,91 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,000 1,000 1,000 1,000m-MDHn 2 0 0 0 0 0 2 0 8 0 0 0 4 12 61,00 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 1,000 0,000 0,000 0,000 1,000 1,000 1,000IDHn 2 0 0 0 0 0 2 0 8 0 0 0 4 12 60,98 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 1,000 0,000 0,875 0,000 0,000 0,000 1,000 0,833 1,0001,00 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,125 0,000 0,000 0,000 0,000 0,167 0,000Примечание. Мук - Мукачево, Лт - Латорица, Вол - Воловец, Чер - Черновцы, Дн -Днепровская, Г-р - Гомель ручейная, Г-б - Гомель болотная, Орш - Орша, Лат - Латвия,Кр - Кропотово, Фин - Финляндия, Кар - Карелия, Нов - Новосибирск, Алт - Алтай,Тал - Талас; n - число проанализированных геномов.На основании аллельных частот, используя F-статистики Райта (FST) и G-статистики Неи (GST), мы предприняли попытку оценить состояние равнове-сия и степень подразделенности исследованных природных популяцийD. littoralis Восточной Евразии.Показатель подразделенности FST для всех множественных аллелей подсчи-тывался как средневзвешенный по всем исследованным популяциям и варьиро-вал в полиморфных локусах от 0,082 (α-Est-3) до 0,148 (β-Est-2) (табл. 2). Сред-нее значение FST составило 0,056. Это говорит о том, что 94,4% всей изменчиво-сти находится внутри популяций D. littoralis и только 5,6% приходится на меж-популяционную изменчивость. Относительно близкое среднее значение, равное0,076 (табл. 2), было установлено и по другому показателю, определяющемуподразделенность, - GST, который, как было показано в работе Неи [16], эквива-лентен параметру FST. Полученные значения FST и GST, приведенные в табл. 2,позволяют говорить об определенной неоднородности генетической структуры,по крайней мере, в изученной нами части ареала D. littoralis, что может объяс-няться географической удаленностью и изолированностью ряда проанализиро-ванных популяций Восточной Евразии (см. рис. 1).Генный поток вычислялся для всех исследованных групп популяций D. littoralisВосточной Евразии. Результаты сведены в табл. 3. Рассчитав значениеFST для каждой группы популяций (табл. 3), мы определили величину генногопотока (Nem), которая оказалась для европейско-сибирско-тянь-шаньскойгруппы популяций равной 4,21. Это говорит о том, что изученные популяцииD. littoralis обмениваются генетическим материалом в среднем с интенсивно-138 Г.Г. Гончаренко, А.А. Сурков, В.Г. Митрофановстью 4,2 мигранта за поколение. При исключении популяции Тянь-Шаня ве-личина Nem для европейско-сибирской группы увеличивается до 4,5 мигран-тов за поколение. Значение генного потока для европейской группы популя-ций при исключении популяций Алтая и Новосибирска увеличивается до4,8 мигранта за поколение. Для юго-восточно-европейской - при исключениипопуляций Карелии и Финляндии - величина генного потока составила5,2 мигранта за поколение и для восточно-европейских при исключении Кар-патских популяций - 5,4 мигранта за поколение (табл. 3).Т а б л и ц а 2Значения показателей F- и G-статистик по 14 локусам в исследованныхприродных популяциях D. littoralisЛокус FST GSTPGM 0,130 0,145ME 0,006 0,006HK-1 0,027 0,035HK-8 0,030 0,030FUM 0,000 0,000α-EST-3 0,082 0,107β-EST-2 0,148 0,212ACPH-1 0,114 0,150ADH 0,015 0,015ODH 0,132 0,260α-GPDH 0,000 0,000c-MDH 0,000 0,000m-MDH 0,000 0,000IDH 0,105 0,105Среднее 0,056 0,076Т а б л и ц а 3Показатели коэффициента генетической подразделенности и генного потокав группах популяций D. littoralisГруппы популяций FST NemЕвропейско-сибирско-тянь-шаньские 0,056 4,21Европейско-сибирские 0,053 4,47Европейские 0,050 4,75Юго-восточно-европейские 0,046 5,18Восточно-европейские 0,044 5,43Полученные данные однозначно указывают на достаточно интенсивныйобмен генетическим материалом между исследованными популяциямиD. littoralis в Восточно-Евразийском регионе, несмотря на наличие междуними географических преград, таких как Карпатские, Уральские, Алтайскиеи Тянь-шаньские горы. Степень отличия в показателе Nem хорошо соответст-вует характеру распределения и взаимосвязи популяций у D. littoralis и на-прямую связана с географической удаленностью популяций друг от друга.Таким образом, в работе на основании проведенного генетического анали-за 15 природных популяций D. littoralis Восточной Евразии с использованиемУровень генного потока у Drosophila littoralis 13914 генов были установлены основные показатели генетической подразделен-ности и генного потока. Величина генного потока (Nem) для всех исследо-ванных нами популяций составила 4,21. Показано, что для отдельных групппопуляций эта величина возрастает до 5,43. Полученные нами генетическиеданные однозначно указывают на зависимость величины генного потока отгеографической удаленности популяций друг от друга.Литература1. Гончаренко Г.Г., Митрофанов В.Г., Корочкин Л.И., Савицкий Б.П. Первый этап видооб-разования у двух подвидов Drosophila группы virilis // ДАН СССР. 1989. Т. 304, № 2.С. 448-451.2. Майр Э. Зоологический вид и эволюция. М.: Мир, 1968. 462 с.3. Patterson S.T., Stone W.S. Evolution in the genus Drosophila. N.Y.: McMillan, 1952. 212 р.4. Корочкин Л.И. Биология индивидуального развития (генетический аспект). М.: МГУ,2002. 264 с.5. Korochkin L.I. Genetic control and development expression of esterase isozymes in Drosophilaof the virilis group // Developmental biology. London: Academic Press Inc., 1975.P. 99-117.6. Nei M. Interspecific gene differences and evolutionary time estimated from electrophoreticdata on protein identity // Amer. Natur. 1971. Vol. 105. P. 385-398.7. Spicer G.S., Bell C.D. Molecular phylogeny of the Drosophila virilis species group (Diptera:Drosophilidae) inferred from mitochondrial 12S and 16S ribosomal RNA gene // Genes Ann.Entomol. Soc. Am. 2002. Vol. 95. P. 156-161.8. Throckmorton L.H. The virilis species group // The genetics and biology of Drosophila / Еds.by M. Ashburner, E. Novistky. London: Academic, 1982. Vol. 3B. P. 227-297.9. Гончаренко Г.Г., Емельянов И.М. Электрофоретический ключ для типировки взрослыхособей двойниковых видов Drosophila группы virilis, обитающих в Палеарктике //Доклады АН СССР. 1990. Т. 313, № 2. С. 448-452.10. Goncharenko G.G., Emelianov I.M. An electrophoretic key to adult members of the siblingspecies belonging to the Drosophila virilis group (Diptera, Drosophilidae) inhabiting SovietUnion and adjacent countries // Z. zool. Syst. Evolut.-forsch. 1992. Vol. 30. P. 281-286.11. Lakovaara S., Saura A., Lankinew P., Pohjola L., Lokki P. The use of isoenzymes in tracingevolution and in classifying Drosophilidae // Zool. Scr. 1976. Vol. 5. P. 173-179.12. Гончаренко Г.Г., Митрофанов В.Г., Катохин А.Н. Изучение биохимического поли-морфизма у Drosophila imeretensis в природных популяциях Краснодарского края //Генетика. 1984. Т. ХХ, № 4. С. 620-627.13. Сурков А.А., Гончаренко Г.Г., Митрофанов В.Г., Корочкин Л.И. Методический подходк исследованию генофондов короткоусых двукрылых Drosophila группы virilis в при-родных популяциях Беларуси // Известия ГГУ им. Ф. Скорины. 2003. № 5. С. 50-54.14. Prakash S., Lewontin R.C., Hubby J.L. A molecular approach to the study of genic heterozygosityin natural populations. IV. Patterns of genic variation in central, marginal and isolatedpopulations of Drosophila pseudoobscura // Genetics. 1969. Vol. 61. P. 841-858.15. Wright S. The interpretation of population structure by F-statistics with special regards tosystems of mating // Evolution. 1965. Vol. 19. P. 395-420.16. Nei M. Molecular Population Genetics and Evolution. Amsterdam: Holland Press, 1975. 278 p.17. Гончаренко Г.Г. Аллозимная диагностика видов-двойников Drosophila группы virilis //ДАН СССР. 1987. Т. 295, № 4. С. 976-980.18. Гончаренко Г.Г., Сурков А.А., Митрофанов В.Г., Корочкин Л.И. Генетико-эволюционные и таксономические взаимоотношения у видов-двойников Drosophilaгруппы virilis Палеарктики // Известия ГГУ им. Ф. Скорины. 2004. № 3. С. 144-157.Поступила в редакцию 20.05.2010 г.140 Г.Г. Гончаренко, А.А. Сурков, В.Г. МитрофановGrigory G. Goncharenko1, Alexander A. Surkov1,Vladimir G. Mitrophanov2, Leonid I. Korochkin21Francisks Skorina Gomel State University, Gomel, Republic of Belarus2N.K. Koltsovs Institute of Developmental Biology of Russian Academyof Sciences, Moscow, RussiaTHE LEVEL OF GENE FLOW IN NATURAL POPULATIONSOF DROSOPHILA LITTORALIS (DIPTERA: DROSOPHILIDAE)OF EAST EURASIAFifteen natural populations of Drosophila littoralis Meigеn from East Eurasia, wereinvestigated by starch-gel electrophoresis. A total of 41 alleles were observed at 14 loci.Interpopulations genetic diversity (FST, GST) was 5,6-7,6% of the total genetic diversityand the level of gene flow (Nem) was 4,2 migrants per generation. The genetic data obtainedsuggest that the level gene flow is connected with geographical distance of populationsof D. littoralis from each other.Key words: Drosophila littoralis; isoenzymes; populations structure; gene flow; inheritance.Received May 20, 2010

Скачать электронную версию публикации