Правила и законы эволюционной палеонтологии. Концепция "прерывистого равновесия" Гулда и Элдриджа. Измерение скорости накопления видоспецифических изменений молекулярных и морфологических признаков. Анализ характера дивергенции дрозофил группы virilis.
При низкой оригинальности работы "Особенности эволюции морфологических и молекулярных признаков на примере близкородственных видов дрозофил", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук ОСОБЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПРИЗНАКОВ НА ПРИМЕРЕ БЛИЗКОРОДСТВЕННЫХ ВИДОВ ДРОЗОФИЛРабота выполнена в лаборатории генетики Учреждения Российской академии наук Института биологии развития им. Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор Илья Артемьевич Захаров-Гезехус (ИОГЕН РАН) доктор биологических наук, профессор Елена Алексеевна Ляпунова (ИБР РАН) доктор биологических наук, доцент Гриценко Вячеслав Владимирович (ТСХА) Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной генетики РАН Защита состоится 18 января 2012 г. на заседании диссертационного совета Д002.238.01, созданного при Учреждении Российской академии наук Институте биологии развития им.Изменения темпов эволюции прямо или косвенно связаны с действием отбора под влиянием факторов внешней среды, и заметны на масштабных отрезках геохронологической шкалы. Предполагается, что статусные, или эволюционно-значимые видовые признаки могут эволюционировать быстрее других, но остается неясным, насколько постоянной является скорость накопления видоспецифических различий по этим признакам и что определяет темпы накопления выявляемой изменчивости на морфологическом и молекулярном уровнях. Среди них: применимость концепции «прерывистого равновесия» Гулда и Элдриджа, т.е. чередования периодов стазиса и быстрой эволюции, к эволюции конкретных видов, признаков и геномов; возможность распространения концепции Сингха «эволюции по быстрому пути» («Evolution in fast lane»), рассматривающей эволюцию последовательностей генов, экспрессия которых ограничена полом, на эволюцию более широкого круга морфологических признаков (например, быстро эволюционирующих признаков копулятивного аппарата самцов); влияние отбора на эволюцию признаков, непосредственно не связанных с адаптациями; существование специфических генетических механизмов, определяющих скорость и направление эволюции признака. Цель исследования: Оценка темпов накопления генетической изменчивости, выявляемой при анализе морфологических и молекулярных признаков, на модели близнецовых видов дрозофил группы virilis, а так же определение механизмов, влияющих на темпы накопления изменчивости данных признаков. Оценить скорость и характер накопления межвидовой изменчивости морфологических признаков за время дивергенции близнецовых видов на примере эволюционно-значимых количественных признаков формы копулятивного аппарата и крыловой пластины дрозофил группы virilis, выявить роль генетической изменчивости в дивергенции видов по эволюционно-значимым признакам.По результатам анализа исследованных признаков в выборках из 11 видов и 2-х подвидов дрозофил построены схематические изображения проекций полового органа самцов для каждого вида. Для оценки межлинейной изменчивости признаков был проведен анализ влияния фактора “принадлежность линии” на внутривидовую изменчивость признака отдельно для каждого из видов: D. virilis, D. americana, D. lummei, D. borealis, D. montana и D. littoralis. У видов D. littoralis (RRAO, Form 2 =26,25; df1=13; df 2=5; p=0.001) и D. americana (RRAO, Form 2 =38.96; df1=12; df 2=5; p<0.001) значения ?WILKS, трансформированные в показатель RRAO, оказались высокими, значительно превысив общие характеристики межвидовых различий. Анализ итоговых нагрузок ИМП на факторные оси позволил выделить следующие группы корреляций: 1-й фактор связан с сопряженной изменчивостью показателей высоты различных участков эдеагуса, положения “вершины” эдеагуса относительно точки 1 и длины парамеров; 2-й - ИМП 2, определяющего кривизну передней части эдеагуса над шипом, показателей высоты центральной и задней части эдеагуса и ИМП 15, характеризующего кривизну нижней передней части эдеагуса; 3-й определяет скоррелированную изменчивость характеристик аподемы; 4-й - независимую изменчивость ИМП, определяющих высоту передней половины эдеагуса; 5-й фактор определяет связь показателя кривизны нижней передней части проекции эдеагуса (ИМП 15), ширины парамеров у основания (ИМП 19) и показателей высоты парамеров (ИМП 21 и ИМП 25); наконец, 6-й фактор контролирует изменчивость показателей высоты среднего участка тела эдеагуса (ИМП 7-9). Вид D. virilis кластеризуется отдельно от всех остальных видов, а D. kanekoi - близок к видам D. montana, D. flavomontana, D. lacicola, D. borealis и D. littoralis, но кластеризуется отдельно от них.Показано, что на протяжении всего времени дивергенции видов группы virilis форма копулятивного органа самцов находилась под действием направленного полового отбора. Скорость накопления видоспецифической изменчивости по признакам формы копулятивного аппарата различается как между разными эволюционными линиями дрозофил группы virilis, так и в пределах каждой родословной.
Вывод
1. Признаки копулятивного аппарата дрозофил группы virilis
1.1 Межвидовая изменчивость признаков формы
Размер фаллической части структуры, без учета аподемы, колебался в среднем от 0,136 мм (D. novamexicana) до 0,194 мм (D. kanekoi). Заметна общая тенденция уменьшения размера органа у видов D. lummei, D. novamexicana, D. americana, по сравнению с D. virilis, и наоборот, увеличение у видов филады montana. Эти результаты коррелируют с данными по морфометрии торакса (Spicer, 1993; Pitnick et al., 1995), и не совпадают с изменчивостью длины сперматозоидов представителей данной группы видов (Pitnick et al., 1995).
Рис.2 Направленная эволюция признаков формы копулятивного аппарата самцов в родословных видов дрозофил группы D. virilis.
По результатам анализа исследованных признаков в выборках из 11 видов и 2-х подвидов дрозофил построены схематические изображения проекций полового органа самцов для каждого вида.
На рис. 2 приведены последовательные изменения признаков формы копулятивного аппарата в филогенетических линиях lummei, montana и kanekoi. Ширина каждого контура определяет 95%-ый доверительный интервал морфометрических показателей. Контуры предкового вида и вида-потомка на каждом этапе дивергенции наложены друг на друга. Стрелки показывают основные направления смещения морфологических структур. В каждой субфиладе происходили преимущественно однонаправленные смещения.
Оценка зависимости различий по исследованным признакам от факторов “принадлежность виду” и “принадлежность линии” была проведена с помощью дисперсионного анализа (MANOVA) по всей совокупности данных. В качестве гнездового использовали фактор “принадлежность виду”. Значение RRAO, многомерного аналога F-критерия (RRAO=17.94; df1=385; df2=2294; p<<0.001), показывает высокую значимость влияния переменной “принадлежность виду” на устойчивость различий по совокупности исследованных признаков.
При определении компонент дисперсии каждого индекса, факторы “принадлежность виду” и ”принадлежность линии” интерпретировались как случайные переменные.
Компоненты дисперсии наиболее значимых ИМП (Fdf1,2 >50), определяемые переменной “принадлежность виду”, принимали на себя в среднем 60-80% общей дисперсии. Доля остальных индексов в общей дисперсии снижалась до 20%. Оценка их значимости подтвердила достоверное участие 32 ИМП из 35 в формировании видоспецифического паттерна. Индексы аподемы имеют слабую видовую специфичность.
Полученные результаты свидетельствуют, что в ходе эволюции близкородственных видов дрозофил группы virilis происходит преимущественно направленное накопление видоспецифической изменчивости по признакам формы копулятивного аппарата самцов.
Post-hoc сравнения в парах видов. С помощью post-hoc тестов Дункана (Duncan) и Шеффе (Scheffe) была оценена значимость различий видов по исследуемым признакам, и выделены группы видов со сходными групповыми средними по каждому признаку. Выявленная картина объединения видов по разным признакам оказалась неслучайной, и обладала следующими характерными чертами: · по 11-ти ИМП вид D. virilis отличается от всех остальных. При этом 10 признаков имеют крайние значения по сравнению с остальными видами;
· еще по восьми ИМП этот вид, обладая крайними значениями признаков, тем не менее, оказался сходен с другими;
· у всех остальных видов независимость по групповым средним и их крайние характеристики встречаются значительно реже.
Сходство средних значений ИМП при парных сравнениях позволяет выделить наиболее близкие по признаку формы фаллоса пары видов: D. lacicola - D. borealis (нет различий по 24 ИМП), D. lacicola - D. littoralis (по 20 ИМП), D. americana americana - D. americana texana, D. lacicola - D. montana и D. borealis -D. montana (по 19 ИМП), D. lummei - D. novamexicana (по 18 ИМП).
Эти пары в большинстве случаев представляют собой сочетание близкородственных видов дрозофил, согласно представлениям о филогенетических отношениях дрозофил группы virilis. Можно отметить также особое положение вида D. ezoana, расположенного по числу сходных ИМП между представителями филады virilis, за исключением собственно вида D. virilis, и филады montana.
Эволюционно наиболее древние и наиболее молодые виды оказываются в диаметрально противоположных группах, выявляемых в ходе апостериорных сравнений, т.е. абсолютное большинство признаков эволюционируют направленно.
Приведенные данные подтверждают, что степень видоспецифических различий по признакам, описывающим форму копулятивного органа самцов, в целом соответствует представлениям о филогенетических отношениях видов данной группы. Накопление эволюционно-значимой изменчивости в разных эволюционных линиях происходило преимущественно в одном направлении.
1.2 Внутривидовая изменчивость признаков формы копулятивного аппарата дрозофил группы virilis
Для оценки межлинейной изменчивости признаков был проведен анализ влияния фактора “принадлежность линии” на внутривидовую изменчивость признака отдельно для каждого из видов: D. virilis, D. americana, D. lummei, D. borealis, D. montana и D. littoralis. Форма фаллоса имеет хорошо выраженную внутрилинейную специфику для каждого из исследованных видов. Количество ИМП, достоверно влияющих на фактор «Линия», менялось у разных видов от 11 до 21. Сходного для изученных видов набора признаков-маркеров межлинейной изменчивости среди ИМП парамеров и эдеагуса обнаружить не удалось. Так, у D. virilis основные межлинейные различия связаны с размерами и формой аподемы, у D. littoralis - эдеагуса, у остальных исследованных видов они распределены по всем частям органа. Значимость показателя межлинейной изменчивости ?WILKS определяли по наборам ИМП, включающим только достоверно различающиеся признаки. У видов D. littoralis (RRAO, Form 2 =26,25; df1=13; df 2=5; p=0.001) и D. americana (RRAO, Form 2 =38.96; df1=12; df 2=5; p<0.001) значения ?WILKS, трансформированные в показатель RRAO, оказались высокими, значительно превысив общие характеристики межвидовых различий.
Эти данные подтверждают, что в популяциях исследованных видов сохраняется значительная изменчивость по различным признакам формы копулятивного аппарата, у разных видов эта изменчивость может зависеть от разных морфологических структур органа.
1.3 Соотношение межвидовой и внутривидовой изменчивости в группах скоррелированных признаков
Для оценки латентной факторной структуры, определяющей сопряженную внутри- и межвидовую изменчивость индексов, мы предприняли разведочный факторный анализ данных. Критерии Каттела и Кайзера позволяют выделить от 4-х (первый) до 7 (второй) главных компонент и 6 главных факторов, полученных разными способами факторного анализа. Сходство нагрузок главных компонент и главных факторов свидетельствует об объективности выделенных групп признаков, принимающих на себя основную долю изменчивости. Результаты анализа показывают сходство вторичных факторных нагрузок, независимо от метода выделения главных факторов (табл. 1) и метода вращения факторных осей.
Табл. 1. Группы скоррелированных признаков формы копулятивного аппарата, выделенные с помощью ортогональных методов вращения.
Principial axis factoring (I), Iterated communalities (MINRES) (II), Communalities=multiple R-square (III) и Maximum likelihood factors (IV).
В таблицу внесены ИМП, нагрузки которых на выявленные факторы превышают значения |0,5|. Жирным шрифтом выделены значения > |0,7|. ИМП, вошедшие с отрицательными нагрузками в данный фактор, занесены со знаком “минус”.
Анализ итоговых нагрузок ИМП на факторные оси позволил выделить следующие группы корреляций: 1-й фактор связан с сопряженной изменчивостью показателей высоты различных участков эдеагуса, положения “вершины” эдеагуса относительно точки 1 и длины парамеров; 2-й - ИМП 2, определяющего кривизну передней части эдеагуса над шипом, показателей высоты центральной и задней части эдеагуса и ИМП 15, характеризующего кривизну нижней передней части эдеагуса; 3-й определяет скоррелированную изменчивость характеристик аподемы; 4-й - независимую изменчивость ИМП, определяющих высоту передней половины эдеагуса; 5-й фактор определяет связь показателя кривизны нижней передней части проекции эдеагуса (ИМП 15), ширины парамеров у основания (ИМП 19) и показателей высоты парамеров (ИМП 21 и ИМП 25); наконец, 6-й фактор контролирует изменчивость показателей высоты среднего участка тела эдеагуса (ИМП 7-9).
В общей сложности 28 индексов проявили высокие значения корреляции с выявленными факторами, войдя со значительным весом в факторные нагрузки. ИМП 3, 16, 18, 20, 26, 27 и 36 не входят ни в одну из групп корреляций.
При этом по данным дискриминантного анализа индексы 3, 18 и 36 вошли в состав хороших дискриминаторов, полученных с помощью методов последовательного отбора переменных - статистик F-включения или F-удаления.
Среди признаков, вошедших в состав факторных структур, ИМП 2, 5, 11, 14, 33 и 34 выделяются как хорошие дискриминаторы. Кроме того, признаки 6, 7, 13 и 23 всегда отбираются в случае использования статистики F-удаления, и признаки 15 и 24 - в случае использования статистики F-включения.
С учетом результатов post-hoc сравнений, следует отметить, что все ИМП, составляющие 1-ю факторную ось, определяют основные отличия D. virilis от остальных видов, а ИМП аподемы, входящие в состав 3-го фактора, определены как сходные в подавляющем большинстве сравниваемых пар.
Сходство по ИМП, входящим в состав 2-го и 4-го факторов, встречается в среднем в 4-6 раз чаще при сравнении видов внутри филад virilis и montana, чем между этими филадами.
При анализе факторных структур внутривидовой изменчивости у видов D. virilis, D. lummei, D. montana и D. borealis были выделены общие для этих видов характеристики выявленных коррелирующих групп признаков. 1.
Признаки объединены по принципу топологической близости и количество групп скоррелированной изменчивости больше, чем в случае анализа межвидовой изменчивости. 2.
Индексы аподемы всегда входят в 1-й или 2-й факторы практически в полном составе. 3. ИМП, определяющие характеристики высоты проекции эдеагуса, могут быть организованы в 2-3 группы корреляции и часто объединены с ИМП 2, определяющим кривизну передней части эдеагуса над шипом. 4.
Характеристики парамеров (ИМП 21-24) всегда представлены в факторной структуре в виде одной - двух корреляционных плеяд, не ассоциированных с ИМП эдеагуса и аподемы.
Сопоставляя меж- и внутривидовые факторные структуры, можно отметить, что прослеживается «модульная» организация эволюционирующего органа - эволюционно-значимая изменчивость независимо накапливается в разных, пространственно разобщенных частях органа, по-разному в разных эволюционных линиях.
С этим же связано и «укрупнение» групп корреляции при переходе к межвидовой изменчивости - отбор подхватывает лишь часть изменчивости, как правило, ограниченной тем или иным компартментом.
Изменчивость, связанная с признаками эдеагуса и парамеров, определяет преимущественно межвидовые различия.
Изменчивость, связанная с признаками аподемы, определяет в основном внутривидовую изменчивость. Факторы 2, 4 и 6 включают в себя как внутри - так и межвидовую дисперсию.
Ряд индексов, входящих в состав факторных структур внутривидовой изменчивости (3, 16, 18, 36), не скоррелированы с другими индексами в составе факторных структур межвидовой изменчивости, что свидетельствует об их качественном изменении на видовом уровне.
По признакам формы копулятивного аппарата были рассчитаны расстояния Махаланобиса, позволяющие количественно оценить расхождение между видами и линиями.
Кластерный анализ был проведен по полученным расстояниям методами кластеризации UPGMA и Варда (рис. 3а).
Виды группы montana кластеризуются отдельно от видов D. lummei, D. americana и D. novamexicana. Вид D. virilis кластеризуется отдельно от всех остальных видов, а D. kanekoi - близок к видам D. montana, D. flavomontana, D. lacicola, D. borealis и D. littoralis, но кластеризуется отдельно от них. D. ezoana близок к D. kanekoi по положению на дендрограмме, но в зависимости от способа кластеризации может быть равноудаленным от подгрупп montana и lummei, располагаясь при этом ближе к ним, чем к D. virilis.
Кластерный анализ, проведенный по всей совокупности используемых линий, в основном подтвердил отмеченную для видов степень сходства по форме копулятивного аппарата (рис. 3б).
Отметим, что две линии D. littoralis имеют существенные различия, и независимо от способа кластеризации располагаются на дендрограмме на значительном удалении друг от друга.
Сравнение полученной для видов группы virilis дендрограммы c филогенетическим деревом, построенным на основании анализа пяти последовательностей ядерных и митохондриальных генов (см. раздел «Оценки степени родства видов по молекулярным последовательностям») показывает топологическое сходство полученных деревьев.
Рис. 3 Дендрограммы UPGMA, полученные для видов (а) и линий (б) дрозофил группы virilis по признакам формы копулятивного аппарата.
Отдельные эволюционные ветви деревьев различаются по длине от 11 до 43%, что приводит к единственному топологическому отличию: на представленной дендрограмме вид D. virilis находится за пределами своей собственной филады как внешний по отношению ко всем видам.
В целом, приведенные результаты факторного, дискриминантного и кластерного анализов хорошо подтвердили выводы, сделанные по результатам дисперсионного анализа ИМП.
На протяжении всего времени дивергенции видов группы virilis форма копулятивного органа самцов была эволюционно значима и менялась направленно: происходило закономерное, но независимое в эволюционных линиях видов субфилад lummei, kanekoi и montana укорочение парамеров и смещение наиболее высокой точки дорсальной части эдеагуса в латеральном направлении.
1.4 Эволюция доминирования признаков формы копулятивного органа самцов дрозофил группы virilis
Работа была проведена по 36 количественным признакам формы полового аппарата самцов: D. lummei 200, 1100 и 1109, D. novamexicana, D. virilis 160, самцов F1 из скрещивания >D. lummei200,1100,1109 ? D. virilis, самцов F1 из скрещивания >D. novamexicana ? D. virilis, самцов Fb с генотипом XVI/YVI, AVI/ALU200, самцов Fb с генотипом XVI/YLU200, AVI/ALU200.
Статус признака определяли по результатам post-hoc сравнений в Главной линейной модели дисперсионного анализа.
Основные результаты представлены в табл.2.
Табл.2 Доля признаков с различной степенью доминирования в скрещиваниях.
Статус признака Скрещивание, дизайн половых хромосом
No x Vi XVIYNO Lu200 x Vi XVIYLU Lu1109 x Vi XVIYLU Lu1100 x Vi XVIYLU Lu200 x Vi XLUYVI Lu200 x Vi XVIYVI
DVI SDVI 1712 5* 7 8 12 7 8
DLU SDLU 51 4* 9 7 5 11 10
N 3 3 1 2 4 1
ID 8 11 13 11 10 8
Ns 5 8 9 8 6 11
? 38 38 38 38 38 38
DVI SDVI - доминирование и сверхдоминирование признаков D. virilis;
DLU SDLU - доминирование и сверхдоминирование признаков D. lummei или D. novamexicana; N - новый статус признака, ID - промежуточное доминирование;
*сумма в надстрочнике - количество признаков, проявляющих доминирование по данному фенотипу, в том числе: доминировавших в скрещиваниях No ? Vi и Lu ? Vi, уникальных только для скрещивания No ? Vi.
Выявлены следующие закономерности: 1. Доля признаков у потомства от прямого и обратного скрещиваний D. lummei ? D. virilis, доминирующих или даже сверхдоминирующих по фенотипу D. virilis, примерно соответствует доле рецессивных признаков;
2. У гибридов от скрещивания D. virilis ? D. novamexicana существенно возрастает доля признаков, имеющих доминирование родительского фенотипа D. virilis, по сравнению с гибридами D. virilis/D. lummei. Гомологичные признаки, имеющие у гибридов D. lummei/D. virilis доминирование D. virilis, сохраняют этот статус и в скрещиваниях >D. novamexicana ? D. virilis.
Признаки, имеющие доминирование второго родительского фенотипа, D. lummei или D. novamexicana, в основном не сохраняют преемственности своего статуса в разных скрещиваниях. То есть, признаки, потерявшие на данном этапе дивергенции доминантный статус, оставались рецессивными и на более поздних этапах дивергенции. Наоборот, доля вновь возникающих доминантных признаков у молодых видов снижалась одновременно с уменьшением времени независимой эволюции молодого вида;
3. В среднем, 35% признаков проявляют сходную степень доминирования в скрещиваниях >D. lummei x D. virilis и >D .novamexicana x D. virilis, тогда как при сравнении скрещиваний различных линий D.lummei в направлении >D. lummei x D. virilis сходством обладают уже 53% признаков. При этом степень доминирования индивидуальных признаков в скрещиваниях D. virilis с линиями D. lummei, имеющими происхождение из разных частей ареала обитания, может существенно различаться;
4. Потомство F1 от скрещивания >D. lummei200 ? D. virilis имеет генотип (XVIYLU AVIALU), идентичный полностью гетерозиготному по аутосомам потомству Fb от возвратного скрещивания самцов F1 с самками D. virilis. Тем не менее, 17 из 38 признаков показывают достоверную разницу по доминированию для самцов F1 и Fb, что позволяет предположить значимое влияние на экспрессию этих признаков отцовского генотипа;
5. Состав половых хромосом у гибридных самцов от скрещиваний D. lummei200 ? D. virilis влияет на степень доминирования признаков. Замена Х-хромосомы D. lummei на Х-хромосому D. virilis в возвратном скрещивании самцов F1 из потомства скрещивания >D. virilis x D. lummei 200, на самку D. virilis, приводит к изменению статуса доминирования половины из всех проанализированных признаков. Тем не менее, соотношение признаков, проявляющих доминирование родительского генотипа D. virilis к признакам, проявляющим доминирование генотипа D. lummei, практически не меняется: 7/11 для самцов F1 от скрещивания >D. virilis x D. lummei 200, и 8/10 для самцов F2 от возвратного скрещивания.
Результаты анализа ИМП хорошо подтверждаются многофакторными методами анализа, учитывающими скоррелированную изменчивость, что существенно повышает надежность выводов. Для примера приведены распределения вторичных признаков гибридных и родительских форм в пространстве гомологичных факторных структур (Ф1 - большая часть признаков полового аппарата, кроме аподемы; Ф2(3) - признаки аподемы), для скрещиваний Vi ? No (рис.4 а) и Vi ? Lu200 (рис.4 б).
Хорошо видно доминирование фенотипа D. virilis в первом случае, и D. lummei во втором, в пространстве значений 1-го, наиболее весомого фактора. Полученные результаты свидетельствуют, что в филогенетической ветви D. lummei > D. novamexicana происходило накопление рецессивной изменчивости, причем преимущественно изза потери доминирования гомологичных признаков у эволюционно более молодого вида.
Рис. 4 Распределение родительских и гибридных F1 генотипов в плоскости факторов 1 и 2: а - скрещивание >No ? Vi; б - скрещивание >Lu200 ? Vi.
Несмотря на статусную роль признаков формы копулятивного аппарата, в популяциях D. lummei сохраняется значительный полиморфизм по степени доминирования данных признаков, что дополняет сделанное выше наблюдение о сохраняющемся полиморфизме этих признаков в географически удаленных популяциях разных видов дрозофил. Наконец, состав половых хромосом у гибридных самцов влияет на степень доминирования признаков. Факторный анализ максимизирует влияние половых хромосом: в реципрокных скрещиваниях F1 замена XVI на XLU и Y-хромосомы в противоположном направлении приводит к двукратному снижению доли объясненной изменчивости, проявляющей доминирование фенотипа D. virilis (с 9.6 до 4.5%), и двукратному увеличению доли изменчивости, проявляющей доминирование фенотипа D. lummei (с 27 до 48%). Наименьшей долей изменчивости, приходящейся на признаки, проявляющие доминирование фенотипа D. lummei, и наибольшей - фенотипа D. virilis, обладают самцы FBXVIYVI, несущие обе половые хромосомы D. virilis.
Эти результаты хорошо подтверждают гипотезу Фишера о механизмах эволюции доминирования за счет эпистатической изменчивости (подбор модификационных, т.е. регуляторных систем, повышающих степень доминирования эволюционно-значимых признаков).
1.5 Хромосомная локализация признаков формы копулятивного аппарата самцов дрозофил группы virilis
Используемые для оценки формы признаки могут иметь сходную изменчивость, определяемую одним и тем же набором локусов. Поэтому для выявления таких групп признаков мы провели факторный анализ изменчивости, характеризующий все используемые генотипы.
По результатам анализа методом максимального правдоподобия, наиболее значимая факторная структура представлена признаками длины парамеров (ИМП 24, 25 и 26) и соотношения длины и максимальной ширины парамеров. Структура 2-го фактора определена исключительно признаками аподемы. В состав 3-го фактора входят преимущественно показатели формы дорсальной поверхности центральной и задней части фаллоса - ИМП 8-16 и индексы 13/14, 15/16. Топологически близкие показатели формы дорсальной поверхности передней части фаллоса - ИМП 4-7 и ИМП 14 и 16 образуют факторную структуру 4-го фактора. В составе структуры 5-го фактора наибольшими весами обладают ИМП 17-20, определяющие форму вентральной поверхности фаллоса. Выявленные факторные структуры хорошо соответствуют показанным выше наиболее значимым факторам, определенным для внутривидовой изменчивости видов D. virilis и D. lummei.
Роль межвидовой изменчивости в составе факторных нагрузок иллюстрирует распределение генотипов Fb, представленных в анализируемой выборке, в пространстве значений факторов (рис. 5).
Рис. 5. Распределение генотипов из возвратных скрещиваний Vi ? >Lu/Vi в плоскости факторов 1, 4.
Самцы из возвратного скрещивания: Fb2 “virilis” - XVI/YVI, AVI/AVI; Fb2 “virilis” - XVI/YLU, AVI/ALU; Другой - частично гомозиготные по аутосомам D. virilis. Самцы F1: F1 cross 2 - XLU/YVI, AVI/ALU; F1 cross 1 - XVI/YLU, AVI/ALU
Альтернативными генотипами в составе выборки являются полностью гетерозиготные самцы, обладающие в полной мере наборами аутомосом от обоих родительских видов, и гомозиготные по геному D. virilis самцы.
Облака изменчивости переменных по 1-му и 4-му факторам, характеризующие полностью гетерозиготных и гомозиготных самцов, практически не пересекаются. Промежуточные варианты при этом плотно занимают все пространство между двумя крайними вариантами.
Применив регрессионный анализ значений признаков на гомо/гетерозиготный статус хромосом для модели возвратных скрещиваний, мы определили вклад отдельных хромосом в формирование видоспецифических признаков копулятивного аппарата.
Признаки формы парамеров (фактор 1). Признак 24: хромосома 6 - 5-8% от общей изменчивости, хромосомы 2 и 5 - 5-6%. Признаки 25, 26, 27: хромосома 5 - 13-24%, хромосомы 2 и 6 - 9-18% от общей изменчивости.
Признаки положения аподемы (фактор 2). Эти признаки являются слабыми дискриминаторами. Некоторый вклад аутосом в видоспецифическую изменчивость удалось получить для ИМП 28, 29 и ?. Она составляет 13%, 4% и 9% соответственно. Для ИМП 28 и 29 наибольшее влияние оказывают хромосомы 5 (8-13%) и 4 (4-6%) соответственно. Признак ? находится под контролем хромосом 2 - 21% и 6 - 3%, отмечено также влияние Y-хромосомы на экспрессию признака.
Признаки формы дорсальной поверхности центральной и задней части фаллоса (фактор 3). Признаки 8, 9: хромосома 2 до 7%, хромосома 3 - 4%, хромосома 6 - 2-6% от общей изменчивости. Признаки 10, 11, 14: хромосома 3 - 14-20%, хромосома 2 - 2-22%, хромосома 4 - 11-16%, хромосома 6 - 5-10% от общей изменчивости.
Признаки формы дорсальной поверхности передней части фаллоса (фактор 4). Влияние хромосом для всех признаков данной группы является очень сходным. Признаки 4-7, 16: хромосома 5 - 13-23% от общей изменчивости и хромосома 3 - 10-17%.
Признаки формы вентральной поверхности фаллоса (фактор 5). Признак 17: ведущая роль хромосомы 5 (14%). Признак 20: ведущая роль хромосомы 3 (7-15%), второстепенная роль хромосом 6 (до 11%) и хромосомы 4 (3-8%). Для обоих признаков играет роль регуляторное влияние Y-хромосомы. Для ИМП 18 и 19 во всех вариантах анализа однозначно выявляется основная роль хромосомы 2 (21% и 14% от общей изменчивости соответственно), второстепенную роль играют хромосомы 3 (4%) и 6 (2-6%).
Признаки с высокой характерностью. Для ИМП 23, признака высоты парамеров у их основания, ведущую роль в формировании генетической составляющей общей дисперсии играет хромосома 5.
Признаки шипа на конце эдеагуса, ИМП 3 и ?, являются сильными дискриминаторами и принципиально различаются по вкладу аутосом в выявленную генетическую составляющую дисперсии. Ведущую роль в формировании дисперсии признака ИМП 3 у самцов Fb от прямого скрещивания играют хромосомы 3 и 2 (11% каждая), а для признака ? - хромосомы 4 и 6 (7% каждая).
Для самцов Fb от обратного скрещивания наиболее весомый вклад в контроль признака ИМП 3 имеют хромосомы 3 и 6 (22% и 12%, соответственно), признака ? - хромосомы 2 и 4 (30% и 26%, соответственно). Учитывая наблюдаемые различия, оба признака зависят от эффектов взаимодействий Y-хромосомы с аутосомами.
Оценка неаддитивных взаимодействий хромосом в формировании видоспецифической изменчивости показала, что 26 из 38 признаков проявляет неаддитивную изменчивость, она может составлять до 97% от наблюдаемого эффекта влияния пары хромосом.
Из 13 признаков, для которых показан эффект эпистатических взаимодействий, 9 попадают в группу доминирования фенотипа D. lummei, причем это практически все признаки, доминирующие по эволюционно новому фенотипу. Очевидно, эпистатические взаимодействия межу локусами из разных групп сцепления необходимы для проявления эффекта доминирования. Этот результат подтверждает вывод о роли эпистатических взаимодействий в эволюции доминирования признаков с новым видовым статусом. Как определить ожидаемый вклад хромосом в межвидовую изменчивость признаков формы копулятивного аппарата? Используем известную гомологию хромосом D. virilis и D. melanogaster по элементам Меллера и функциональную значимость и экспрессионную активность всех аннотированных генов D. melanogaster.
В соответствии с данными FLYBASE, из 302 SRR (sex and reproduced related) генов на 2-й - 6-й аутосомах расположено 34%, 17%, 24%, 24% и 1% этих генов соответственно. Сходным образом, из 60 известных генов, ограниченных экспрессией в тканях самцов, на 2-й - 6-й аутосомах расположено 35%, 27%, 17%, 20% и 2% от общего их числа соответственно.
Оценим распределение по хромосомам объясненной изменчивости по видоспецифическим признакам формы копулятивного аппарата. Группы признаков, обладающих скоррелированной изменчивостью, имеют различный объем, и каждый признак, обладающий высокой характерностью, представляет собой самостоятельную группу.
Поэтому следует последовательно взвесить показатели участия хромосом для каждого признака на размер группы скоррелированной изменчивости, включающей данный признак, и затем получить средние значения объясненной изменчивости по признакам для каждой хромосомы.
Ожидаемые показатели определяются как доли от суммарной средней объясненной изменчивости, соответствующие двум наборам приведенных выше теоретических оценок. Результаты расчетов представлены в табл. 3.
Табл. 3. Нагрузка на хромосомы видоспецифической изменчивости.
Хромосомы % от общей изменчивости Видоспецифические инверсии D. lummei
Наблюдаемая SRR* M-S**
2 4.8 7.5 7.8 - (Tsuno, Yamaguchi, 1991)
3 4.9 3.8 6.0 - (Полуэктова и др., 1994)
4 3.2 5.3 3.8 - (Полуэктова и др., 1994)
5 5.7 5.3 4.4 (Полуэктова и др., 1994)
6 3.6 0.2 0.4 (Полуэктова и др., 1994)
? 22.2 22.2 22.2
Выделены нагрузки на хромосомы, вклад в видоспецифическую изменчивость которых выше ожидаемого. SRR* - ожидаемая по нагрузкам на хромосомы SRR-генов; M-S** - ожидаемая по нагрузкам специфичных для самцов генов.
Очевидно, что нагрузки на 5-ю аутосому и микрохромосому выше ожидаемых. При этом известно, что обе хромосомы несут характерные для D. lummei видоспецифические инверсии, отсутствующие у D. virilis, причем инверсия на 5-й аутосоме перекрывает незначительную часть хромосомы, тогда как микрохромосома перекрыта инверсией полностью. Этим может объясняться сравнительно слабое превышение наблюдаемого вклада 5-й хромосомы в общую изменчивость по форме копулятивного аппарата, по сравнению с ожидаемым.
Таким образом, скорость накопления эволюционно-значимой изменчивости по признакам формы копулятивного аппарата самцов дрозофил выше в хромосомах, несущих видоспецифические инверсии, что соответствует модели «подавления рекомбинации» и концепции Добжанского об эволюционной роли хромосомных перестроек.
1.6 Видовая специфичность и роль микрохет на эдеагусе дрозофил
Присутствие микрохет на половых органах самцов и значительное разнообразие по этому признаку у разных видов дрозофил может быть следствием сохранения функциональной значимости микрохет и их участия в формировании прекопуляционных изолирующих барьеров. Наши эксперименты по сравнению эффективности брачных ухаживаний в кон- и гетероспецифических скрещиваниях показали, что эффективность перехода от стадии “садки” к стадии “копуляции” в межвидовых скрещиваниях снижается в 1,5-2 раза. Кроме того, продолжительность времени копуляции в случае перехода на эту стадию сокращается в 2-4 раза, что сказывается на полноценности осеменения самки. Следовательно, в момент попытки оплодотворения осуществляется рецепция, определяющая эффективность как перехода на стадию копуляции, так и процесса осеменения самки.
Роль сенсорных механизмов при копуляции могут играть микрохеты, обнаруженные на дорсальной поверхности копулятивного аппарата. На увеличении до 5000 видна внутренняя полость, характерная для сенсорных органов дрозофилы (рис. 6).
Рис. 6 Микрохета с вентральной поверхности эдеагуса D. montana x5000.
Эволюционное происхождение внутренних половых органов насекомых связано с 8-м и 9-м тергитами брюшка, из которых у самцов образовались копулятивный аппарат и гипандрий, соответственно. Тергиты густо покрыты микро- и макрохетами, играющими механосенсорную функцию, и гомологичные структуры на внутренних половых органах могут обладать той же функцией.
Наличие микрохет на поверхности эдеагуса у дрозофил группы virilis наблюдается в верхней, наиболее приподнятой над основанием части сагиттальной проекции органа (рис. 7). Максимальное количество микрохет характерно для всех видов филады montana (рис. 7а) - щетинки занимают до ? площади дорсальной части фаллоса по направлению к шипу на его конце. У видов D. americana, D. novamexicana (оба вида являются аллопатрическими) микрохеты отсутствуют полностью и у вида D. virilis появляются редко и только в случае развития личинок при пониженной температуре (рис. 7б).
Рис. 7 Наличие микрохет у D. montana (а) и D. virilis (б). х 200
Генетический анализ данного признака был проведен с использованием гибридных самцов F1 и самцов от возвратных скрещиваний самок D. virilis с самцами F1 от скрещиваний D. virilis на D. lummei в обоих направлениях. Было показано доминирование фенотипа D. virilis при развитии потомства в нормальных условиях (25ОС) и фенотипа D. lummei при содержании личинок при 17ОС.
В ходе анализа влияния отдельных хромосом на экспрессию признака было показано достоверное влияние 2-й (G2=2.834, d.f.=5, p<<0.001) и 6-й (G2=32.538, d.f.=5, p<<0.001) хромосом. Показано также влияние взаимодействия аутосом 3, 4 и 5 с аутосомами 2 и 6 на экспрессию признака, и взаимодействия Y-хромосомы с аутосомой 2.
4-я микрохромосома D. melanogaster имеет в своем составе всего 95 структурных генов и полностью гомологична 6-й микрохромосоме D. virilis. Поиск генов-кандидатов на формирование видовой специфичности количества микрохет на поверхности эдеагуса, расположенных на микрохромосоме, был проведен с использованием биоинформационных подходов по последовательности SOP-(sensory organ precursor) энхансера.
Искомая последовательность была найдена в районе локализации генов-кандидатов shaven, CG1909 и Ephrin, экспрессирующихся в клетках нервной системы мух.
Таким образом, действие отбора на быстро эволюционирующие части копулятивного аппарата самца дрозофилы может осуществляться через сенсорные структуры на поверхности эдеагуса.
2. Оценка дивергенции видов дрозофил группы virilis по форме крыла
Крыло дрозофилы играет существенную роль в брачном ритуале - это и реализация характерных поз самца, и сенсорика контактных феромонов, размещенных на поверхности тела самки, с помощью разнообразных рецепторов, в том числе и расположенных на крыловой пластине, и генерация своеобразной брачной песни самца и ответа на нее самки.
Поскольку и сам рисунок брачного танца, и амплитуда и частота звуков брачной песни являются строго видоспецифическими характеристиками, представляется интересным оценить дивергенцию близкородственных видов дрозофил по форме крыловой пластины.
Характеристики формы крыловой пластины, полученные для 17 линий 11 видов дрозофил группы virilis, были использованы для сравнения самцов и самок, представителей разных видов и разных линий дрозофил.
Используя двухфакторный MANOVA, прокрустову метрику как показатель формы крыловой пластины, и принадлежность к полу и линии как факторы, нам удалось показать, что эффект линии на форму крыла высоко значим (Wilk’s ? =1.20х10-7, F(384,9670.05) =57.88, p < 0.001).
Вместе с тем, прокрустовы дистанции между линиями, определенные независимо для самцов и самок, были высоко коррелированны (r = 0.927, n = 136, p <0.001) и эффект принадлежности полу был примерно в 4 раза ниже, чем эффект принадлежности линии, показанный для самок и самцов независимо. Эти результаты указали на высокую степень подобия для формы крыла самцов и самок, и в дальнейших исследованиях мы использовали только объединенные выборки двух полов.
Рис. 8 Дендрограмма распределения линий дрозофил группы D. virilis по форме крыла.
Дендрограмма, построенная методом UPGMA по средним прокрустовым дистанциям для линий, демонстрирует отсутствие эффекта видовой принадлежности на форму крыла (рис. 8). Мы видим случайную картину распределения линий по кластерам, и отсутствие сходства полученной дендрограммы с известными филогенетическими построениями для дрозофил группы virilis. t-тест также показывает, что различия по средним прокрустовым дистанциям между линиями одного вида (31.16?10-3 ± 4.39?10-3) и линиями разных видов (39.22?10-3 ± 0.93?10-3) являются величинами одного порядка.Разбиение крыловой пластины на дистальную и проксимальную области, ограниченные лэндмарками 9-14 и 1-8 соответственно, позволяет определить различия этих компартментов по изменчивости. Средние значения MS (средняя сумма квадратов) для лэндмарок каждого компартмента составляют 4.43?10-3 ± 0.90?10-3 против 1.33?10-3 ± 0.19?10-3 для этих областей соответственно, t12 = 3.89, p < 0.01. Напротив, антериорная и постериорная зоны, различающиеся степенью костализации и граничащие между радиальной и медиальной жилками, не показывают значимых различий по изменчивости. Средние MS для лэндмарок этих зон составили 2.39?10-3 ± 0.93?10-3 против 2.92?10-3 ± 0.71?10-3.
Аллометрические эффекты оказывают значимое влияние на эволюцию формы крыловой пластины. Получена достоверная регрессия средних прокрустовых дистанций между данной линией и остальными (различия по форме крыла) на соответствующую разницу по значениям центроидов (различия по величине): F(1,15) = 9.00, p < 0.01 (рис. 9), т.е. отличия по форме усиливаются с увеличением размера крыла. Эти результаты дают основание предполагать, что накопление видоспецифической изменчивости может осуществляться по-разному в различных компартментах крыла, и нарастать по мере увеличения размера крыла.
Рис. 9. Регрессия средних прокрустовых дистанций между данной линией и остальными на соответствующую среднюю разницу по значениям центроидов. По оси абсцисс - средняя абсолютная разница размеров центроидов, по оси ординат - средние прокрустовы дистанции
Для выявления и визуального представления наиболее характерных изменений в разных частях крыла мы использовали многомерный метод анализа относительных деформаций (relative warp analysis; Bookstein 1991). Были рассмотрены факторные нагрузки для трех наиболее значимых осей относительных деформаций (relative warps RW1, RW2 и RW3), объясняющих 64,5% всей наблюдаемой изменчивости. Проекции индивидуальных значений особей с учетом нагрузок (relative warp scores) на ось RW3 (в отличие от RW1 и RW2) четко разделяли крупные виды D. kanekoi, D. ezoana и D. montana между собой и отделяли их от остальных видов группы. Для RW3, определяющей 13% изменчивости формы крыла, лэндмарки проксимального компартмента (1, 2, 3, 5, 6, 7 и 8) имели наиболее высокие нагрузки. Анализ деформаций показал, что с ростом значений вдоль оси RW3 наблюдается уменьшение проксимальной части крыла относительно дистальной части, несущей основную функциональную нагрузку при полете.
Таким образом, процесс видообразования в группе virilis не связан с изменением формы крыловой пластины. Скорость накопления видоспецифической изменчивости по данному признаку значительно ниже, чем по копулятивному аппарату дрозофил. Межвидовую дивергенцию по форме крыла можно отметить только для некоторых филогенетически удаленных видов, у которых она затрагивает консервативную проксимальную область крыловой пластины, причем эта дивергенция не носит направленного характера. Межвидовые различия по форме крыловой пластины могут быть связаны с адаптациями к активн
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
