Молекулярная эволюция митохондриального гена цитохрома b коттоидных рыб озера Байкал: Филогенетическая реконструкция тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.15, кандидат биологических наук Кирильчик, Сергей Васильевич

• Кирильчик, Сергей Васильевич
• кандидат биологических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Кирильчик, Сергей Васильевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ

II. ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

III. ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

IV. ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Сравнительный анализ нуклеотидных

последовательностей

3.2 Построение филогенетических схем

3.3. Филогенетические взаимоотношения видов байкальских Cottoidei

3.4. Филогенетические взаимоотношения байкальских

и внебайкальских Cottoidei

3.5. Оценка времени прошедшего с момента первой дивергенции байкальских подкаменщиков

V. ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ

VI. ВЫВОДЫ

VII. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Молекулярная эволюция митохондриального гена цитохрома b коттоидных рыб озера Байкал: Филогенетическая реконструкция»

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Исследования истории формирования мира живых организмов представляют большой интерес не только с точки зрения развития общей теории эволюции и построения естественной системы видов, но бывают чрезвычайно полезными и в решении целого ряда вопросов экологии, биогеографии, палеонтологии, исторической геологии и стратиграфии. До недавнего времени в эволюционных исследованиях применялись, в основном, методы сопоставления данных сравнительной анатомии, эмбриологии и палеонтологии. Использование такого подхода для решения некоторых, наиболее сложных, филогенетических задач связано с рядом затруднений, вызванных, в частности, существованием значительных различий в темпах фенотипичес-кой эволюции отдельных групп организмов и связанных с этим проблемами подбора эволюционно - значимых морфологических и других признаков.

По сравнению с морфологическими или физиологическими характеристиками, молекулярные данные показывают более стабильную структуру эволюционных изменений 1987), следовательно - более корректную

картину филогенетического родства организмов. Кроме этого, сравнение нуклеотидных и аминокислотных последовательностей позволяет анализировать большое количество признаков (нуклеотидов или аминокислотных остатков), изменяющихся дискретно и по известному механизму. Это позволяет делать количественные оценки степени филогенетического родства видов с использованием соответствующих математических и

статистических методов. Поэтому, использование анализа нуклеиновых кислот и других макромолекул в филогенетических исследованиях в настоящее время широко и успешно практикуется как отечественными так и зарубежными учеными. Особой "популярностью" пользуются нуклеотидные последовательности митохондриальной ДНК (мтДНК), в том числе и гена цитохрома Ъ. Для гена цитохрома Ъ составлена детальная калибровочная кривая скорости эволюции для млекопитающих и птиц, включая динамику накопления замен по положениям кодона, мутаций замещения, транзиций и трансверсий. На основе анализа нуклеотидных последовательностей митохондриального гена цитохрома Ъ успешно исследуется эволюция млекопитающих, птиц, рыб, земноводных и др., на разных таксономических уровнях - от популяций до родов.

Методы молекулярной биологии оказались чрезвычайно полезными и в филогенетических исследованиях на Байкале. Вопросы происхождения и эволюции организмов, населяющих озеро Байкал, представляют особый научный интерес не только с точки зрения их широкого разнообразия, глубокого эндемизма и уникальности среды обитания, но в значительной степени в связи с тем, что эндемичная байкальская фауна и флора характеризуется следующими весьма своеобразными чертами: 1) Она представлена формами, переходными как между видами, так и между таксонами более высокого ранга; 2) Для нее характерно наличие почти полного набора форм - от отдельных родов до обособленных семейств, обитающих в одном, относительно небольшом водоеме. 3) Многие эндемичные группы байкальских животных имеют монофилетичное

происхождение и могут рассматриваться как "букеты видов" (Smith and Todd, 1984).

Байкальские подкаменщиковые рыбы (Cottoidei) являются одними из наиболее своеобразных представителей байкальской эндемичной фауны. Большая эволюционная пластичность и широкое распространение этих организмов позволяют рассматривать их как уникальный объект для эволюционных исследований, которые, в данном случае, могут явиться ключом к более глубокому пониманию процессов и закономерностей эволюции вообще. По современной классификации в состав байкальских подкаменщиков входит 29 видов, 22 из них эндемичны (Сиделева, 1982). Коттоидные рыбы встречаются на всех глубинах озера и представлены как бентосными, так и пелагическими формами. Представители сем. Comephoridae (голомянки) единственные живородящие рыбы водоема. Глубокий эндемизм Cottoidei Байкала, их широкое распространение в пределах озера, масштабы морфологических, физиологических и др. преобразований в процессе адаптивного видообразования, а также отсутствие ископаемых остатков привели, в результате, к тому, что во взглядах на эволюцию этой группы видов сосуществуют крайне полярные точки зрения. Достаточно сказать, что оценка времени происхождения комплекса видов варьирует от минимальной - не более 2 миллионов лет (млн. лет) (Талиев, 1955) , до максимальной - не менее 20 млн. лет (Сиделева, 1982).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель настоящей работы состояла в исследовании эволюционных взаимоотношений видов бычков

подкаменщиков Байкала и установлении степени филогенетического родства с внебайкальскими формами на основе сравнения нуклеотидных последовательностей фрагмента гена цитохрома Ъ мтДНК. Выполнение этой задачи включало следующие этапы:

1. Выделить ДНК 3-4 представителей каждого из 15-20 байкальских и 10 -15 внебайкальских видов Сойогйе1, определить нуклеотидные последовательности фрагмента гена цитохрома Ъ мтДНК, длиной около 400 пар нуклеотидов, используя метод полимеразной цепной реакции.

2. Провести сравнительный попарный анализ нуклеотидных последовательностей на предмет распределения и соотношений мутаций по позициям кодона, транзиций / трансверсий, замещения / синонимичных замен. Сравнить результаты анализа с опубликованными данными по эволюции митохондриального гена цитохрома Ь.

3. С учетом результатов попарного сравнения последовательностей ДНК построить филогенетические схемы, используя компьютерные филогенетические программы. Составить анализ филогенетических схем с оценкой степени их корректности.

4. Сравнить результаты молекулярно-филогенетических исследований с имеющимися на сегодняшний день взглядами о происхождении, эволюции и системе байкальских СоШлс1е1.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Впервые для филогенетических исследований коттоидных рыб Байкала были использованы методы молекулярной биологии. Отмечено некоторое несоответствие между сегодняшними систематическими и

филогенетическими представлениями и полученными результатами. Например, в филогенетических деревьях с высокой статистической достоверностью наблюдается отдельное от видов рода Limnocottus положение ветви Limnocottus eurystomus, что свидетельствует о полифилетичном происхождении этой группы. Топология филогенетических деревьев, а также приблизительная оценка времени эволюции Cottoidei в пределах озера не согласуется с принятой на сегодняшний день гипотезой о разновременном заселении праозера предками современных видов и исключительной древности комплекса подкаменщиковых рыб Байкала. Cottoidei Байкала представляют собой группу филогенетически близких видов, которые ведут свое начало от одной или небольшого количества пресноводных предковых форм, проникших на Байкал не ранее 2,5 млн. лет назад. Чрезвычайно интересные и уникальные в мировой практике эволюционных исследований результаты были получены при сравнении байкальских и внебайкальских форм. Cottoidei Байкала, как оказалось, имеют близкие филогенетические связи с видами из оз. Мичиган и р. Анадырь. Более того, попарный анализ полученных данных показал, что дивергенция байкальских и близких к ним видов сопровождалась ускоренным накоплением мутаций замещения в исследуемом районе мтДНК.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований представлялись на международной конференции "New Scope on Boreal Ecosystems in East Part of Russia.1', проходившей в 1994 году в городе Киото, Япония.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертации опубликовано пять статей.

Заключение диссертации по теме «Генетика», Кирильчик, Сергей Васильевич

ВЫВОДЫ

1. Определена нуклеотидная последовательность фрагмента гена цитохрома Ъ митохондриальной ДНК 16 байкальских и 13 внебайкальских видов Cottoidei.

2. На основании статистического и филогенетического анализа полученных данных, а также сопоставления результатов исследований с данными геологического, исторического и зоогеографического характера предложена концепция происхождения и эволюции байкальских подкаменщиковых рыб в пределах озера.

3. Cottoidei Байкала представляют собой группу филогенетически близких видов, которые ведут свое начало от одной или небольшого количества пресноводных предковых форм, проникших на Байкал не ранее 2,5 млн. лет назад.

4. Предковыми формами байкальских подкаменщиков являлись пресноводные представители семейства Cottidae, рода Cottus. Образование двух эндемичных байкальских семейств - Comephoridae и Abyssocottidae -результат быстрой адаптивной радиации новых видов от предковой формы (или форм), вызванной резкой сменой условий среды обитания и появлением новых свободных экологических ниш.

5. Выявлено близкое филогенетическое родство между байкальскими подкаменщиками и видами из оз.Мичиган {Cottus bairdii, Cottus cognatus) и р.Анадырь (Cottus cognatus). Эти виды, также как наиболее дистантные виды Байкала - Cottus kessleri, Paracottus kneri и пара Cottocomephorus inermis, Cottocomephorus grewingki - представляют в филогенетических схемах наиболее древние эволюционные линии, отделившиеся от предкового ствола либо на ранних этапах становления "букета видов", либо незадолго до этого. 6. В филогенетических деревьях с высокой статистической достоверностью наблюдается отдельное от видов рода ЫтпосоПт положение вида Ытпосоиш еигуяЮтш, что свидетельствует о полифилетичном происхождении этой группы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Кирильчик, Сергей Васильевич, 1998 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Berg L.S. Die Cataphracti des Baikalsees // St-Petersburg und Berlin. 1907. S. 1-75.

Brown W.M., George M. and Wilson A.C. Rapid evolution of animal

mitochondrial DNA // Proc. Natl. Acad. Sei. 1979. V. 76. P. 1967- 1971 Cantatore P., Roberti M., Pesole G., Ludovico A., Milella F., Gadaleta M.N., Saccone C. Evolutionary analysis of cytochrome b sequences in some Perciformes: evidence for slower rate of evolution than in mammals // J. Mol. Evol. 1994. V. 39. P. 589 - 597. Cavalli-Sforza L.L., Edwards A.W.F. Phylogenetic analysis: models and

estimation procedures // Evolution. 1967. V. 32. P. 550 - 570. DeSalle R., Templeton A.R. Faunder effects and the rate of mitochondrial DNA evolution in Hawaiian Drosophila // Evolution. 1988. V. 42. № 5. P. 1076- 1084.

Felsenstein J. The number of evolutionary trees // Syst. Zool. 1978. V. 27. P. 27-33.

Felsenstein J. Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap

//Evolution. 1985. V. 39. P. 783-791 Felsenstein J. Evolutionary trees from DNA sequences: a maximum likelihood

approach//J. Mol. Evol. 1981. V. 17. P. 368 - 376. Felsenstein J. PHYLIP (Phylogeny Inference Package) version 3.5c. Department of Genetics. University of Washington. Seattle. 1993.

Fitch W.M., Margoliash E. Construction of phylogenetic trees // Science. 1967.

V. 155. P. 279-284. Georgi J.G. Bemerkungen einer Reise im Russischen Reich // St.-Petersburg, Bd.

1. 2. 1775. S. 1 -920. Grachev M.A., Slobodyanyuk S.Ja., Kholodilov N.G., Fyodorov S.P., Belikov S.I., Sherbakov D.Yu., Sideleva V.G., Zubin A.A. and Kharchenko V.V. Comparative study of two protein-coding regions of mitochondrial DNA fron three endemic sculpins (Cottoidei) of lake Baikal // J.Mol.Evol. 1992. V. 34. P. 85 - 90.

Hatefi Y. The mitochondrial electron transport and oxidative phosphorylation

system // Annu. Rev. Biochem. 1985. V. 54. P. 1015-1069 Hillis D.M., Moritz C. Molecular systematics. Sinauer Associates Inc. 1990. 588 P-

Howel N. Evolutionary conservation of protein regions in the protonmotive cytochrome b and their possible roles in redox catalysis // J. Mol. Evol. 1989. V. 29. P. 157- 169

Irwin D.M., Kocher T.D. and Wilson A.c. Evolution of the cytochrome b of

mammals // J. Mol. Evol. 1991. V. 32. P. 128 - 144. Jones C.S., Tegelstrom H., Latchman D.S., Berry R.J. An improved rapid method for mitochondrial DNA isolation suitable for use in the study of closely related populations // Biochem. Genet. 1988. V. 26. P. 83 - 88. Jukes T.H., Cantor C.R. Evolution of protein molecules // Mammalian protein metabolism. Nev York: Academic press. 1969. P. 21 - 132.

Kimura M. A simple method for estimating evolutionary rates of base substitutions through comparative studies of nucleotide sequences // J. Mol. Evol. 1980. V. 16. P. Ill - 120. Kocher T.D., White T.J. Evolutionary analysis via PCR // PCR Technology. Nev

York: Stocktion Press, 1989. P. 137 - 147. Kornegay J.R., Kocher T.D., Williams L.A., Wilson A.C. Pathways of lysozyme evolution inferred from the sequences of cytochrome b in birds // J. Mol. Evol. 1993. V. 37. P. 367 - 379. Lopez J.V., Yuhki N., Masuda R., Modi W., O'Brien S.J. Numt, a recent transfer and tandem amplification of mitochondrial DNA to the nuclear genome of the domestic cat // J. Mol. Evol. 1994. V. 39. P. 174 - 190. Martin A.P., Naylor G.J.P., Palumbi S.R. Rates of mitochondrial DNA evolution

in sharks are slow compared with mammals //Nature. V. 357. P. 153 - 155. Meyer A., Kocher T.D., Basasibwaki P., Wilson A.C. Monophyletic origin of Victoria cichlid fish suggested by mitochondrial DNA sequence // Nature. 1990. V. 347. P. 550 - 553. Murray V. Improved double-stranded DNA sequencing using linear polymerase

chain reaction //Nucleic Acids Res. 1989. V. 21. P. 8889. Nei M. Molecular evolutionary genetics. Columbia University Press: New York. 1987.674 p.

Pallas P.S. Reise durch verschiedene Provinzen des Russischen Reiches // St.-

Petersburg, Bd. III. 1776. S. 1 - 454. de Queroz K., Gauthier J. Phylogenetic taxonomy // Annu. Rev. Ecol. Syst. 1992. V. 23. P. 449 - 480.

Saitou N., Nei M. The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees // Mol. Biol. Evol. 1987. V. 4. P. 406 - 425.

Sambrook J., Fritsch E.P., Maniatis T. Molecular cloning: a laboratory manual. Nev York: Cold Spring Harbor Lab. Press. 1989.

Sideleva V.G. Speciation of endemic Cottoidei in Lake Baikal // Speciation in ancient lakes. Stuttgard. Arch. Hydrobiol. Beih. Ergebn. Limnol. 1994. V. 44.

P. 441 .450.

Slobodyanyuk S.Ja., Pavlova M.E., Kirilchik S.V., Novitskii A.V. The evolutionary relationships of two families of cottoid fishes of Lake Baikal (East Siberia) as suggested by analysis of mtDNA // J.Mol.Evol. 1994. V. 40. P. 392-399.

Slobodyanyuk S.Ya., Kirilchik S.V., Pavlova M.E., Sideleva V.G. // Evolution of endemic cottoid fishes of lake Baikal (East Siberia), and of non-baikalian cottoid fishes as revealed by methods of molecular biology. New Scope on Boreal Ecosystems in East Part of Russia. Abstr. / Kyoto: Kyodai Kaikan, 1994. P. 14.

Slobodyanyuk S.Ja., Kirilchik S.V., Pavlova M.E. Evolutionary relationships among Baikalian and outbaikalian sculpins (Cottoidei) as suggested by analysis of the mitochondrial cytochrome b gene. // INTAS Conference "Baikal as a natural laboratory for global change". Irkutsk. Russia. May 11-77. 1994. Abstracts v.l. p.53.

Smith G.R., Todd T.N. Evolution of species flocks of fishes in north temperate lakes // Evolution of fish species flocks. University of Maine at Orono Press. 1984. P. 45-69.

Tajima F., Nei M. Estimation of evolutionary distance between nucleotide sequences // Mol. Biol. Evol. 1984. V. l.P. 269 - 285.

Zhang De-Xing, Hewitt G.M. Nuclear integrations: challenges for mitochondrial DNA markers // Tree. 1996. V. 6. P. 247 - 251.

Zuckerkandl E. and Pouling L. Molecular disease, evolution and genie heterogeneity // In M. Kasha and B.Pullman eds. Horizons in Biochemistry. New York: Academic Press. 1962. P. 189-225. Берг JI.С. Рыбы Байкала // Ежегодн. Зоол. муз. Акад. Наук. 1900. Т. V. С. 326 - 372.

Берг Л.С. Академик Л.С. Берг - избранные труды. М.: изд-во АН СССР. 1962. С. 58-91.

Буркар Ж. Рельеф океанов и морей. М.: 1953. 338 с.

Грацианов В.И. Ихтиофауна Байкала // Днев. Зоол. отд. Изв. Общ. любит.

естествозн. антропол. и этногр. 1902. Т. III. № 3. С. 18 - 16. Гроссвальд М.Г. Оледенение континентальных шельфов. Палеогеография.

М.: ВИНИТИ. 1983. т. 1. 145 с. Гроссвальд М.Г. Последнее великое оледенение территории СССР. М.: Знание. 1989. 48 с.

Дрогостайский В.Ч. Вертикальное и горизонтальное распределение фауны оз. Байкала // Иркутск: Гос. унив. Тр. проф. и преп. ИГУ. 1923. С. 1 - 31. Дыбовский Б.И. Рыбы озера Байкала // Изв. Сиб. отд. Русск. геогр. общ. 1876.

Т. VII. № 1 -2. С. 1-25. Дыбовский Б.И. Исследования голомянки. (Сообщено А.Л. Чекановским.) //

Изв. Сиб. отд. Русск. геогр. общ. 1870. Т. I. № 1. С. 28 - 30. Карасев Г.Л. Проблемы исторического формирования ихтиофауны Байкальского рифта и прилежащих территорий Северной Азии // Рыбы и рыбное хозяйство Восточной Сибири. Улан-Уде. 1977. С. 142 - 174.

КимураМ. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. М: Мир. 1985. 398 с.

Кирильчик C.B., Рихванова М.П., Холодилов Н.Г., Слободянюк С.Я., Богачев С.С. Клонирование и рестриктазное картирование митохондриальной ДНК представителя байкальской ихтиофауны -бычка песчаной широколобки (Cottus kessleri, Cottoidei) // Молекуляр. биология. 1992. Т. 26. С. 128 - 134.

Кирильчик C.B., Слободянюк С.Я., Беликов С.И., Павлова М.Е. Филогенетические взаимоотношения среди 16 видов подкаменщиковых рыб оз.Байкал на основе анализа нуклеотидной последовательности фрагмента гена цитохрома Ъ митохондриальной ДНК // Молекуляр. биология. 1995. т.29. в.4. С. 817-825.

Кирильчик C.B., Слободянюк С.Я. Эволюция фрагмента гена цитохрома b митохондриальной ДНК некоторых байкальских и внебайкальских видов подкаменщиковых рыб // Молекуляр. биология. 1997. т.31. № 1. С. 168-175.

Коротнев A.A. Comephoridae Байкала // Зоол. исслед. оз. Байкала. Киев и Берлин. 1905. Вып. 2. С. 1 -39.

Линдберг Г.У. Крупные колебания уровня океана в четвертичный период. Л.: Наука. 1972. 548 с.

Сиделева В.Г. Сейсмосенсорная система и экология байкальских подкаменщиковых рыб (Cottoidei). Новосибирск: Наука. 1982. 150 с.

Сиделева В.Г. Морфология сейсмосенсорной системы голомянок (Comephoridae) // Морфология и систематика рыб. Л: Наука. 1978. С. 25 - 30.

Сиделева В.Г. Особенности строения сейсмосенсорной системы у прибрежных и глубоководных подкаменщиков (Pisces: Cottidae, Abyssocottidae) оз. Байкал // Докл. АН СССР. 1979. Т. 248. Вып. 3. С. 745 - 746.

Талиев Д.Н. Бычки-подкаменщики Байкала (Cottoidei). M.-Л.: изд-во АН СССР. 1955. 603 с.

Талиев Д.Н. Новые формы бычков из Байкала // Тр. Байкальск. лимнол. ст. АН СССР. 1935. T. VI. С. 59 - 68.

Талиев Д.Н. К изучению остеологии байкальских Cottoidei при помощи лучей рентгена // Вестн. рентгенол. и радиол. 1938. T. XX. С. 225 - 235.

Талиев Д.Н. Опыт применения реакции преципитации к познанию происхождения и истории байкальской фауны // Тр. Байкальск. лимнол. ст. АН СССР. 1940. T. X. С. 241 - 355.

Черняев Ж.А. О генезисе фауны байкальских бычков-подкаменщиков (Cottoidei) // Зоол. ж. 1973. T. LII. Вып. 3. С. 459 - 464.

Черняев Ж.А. Морфоэкологические особенности размножения и развития песчаной широколобки оз. Байкал Paracottus (Leocottus) kessleri (Dyb) // Вопр. ихтиол. 1977. T. 17. Вып. 6(107). С. 1055 - 1070.

Шедько C.B. О скорости эволюции митохондриальной ДНК лососевых рыб // Ж. эвол. биохим. и физиол. 1991. Т. 27. № 2. С. 249 - 253.