ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ И ПРОЦЕССОВ ВИДООБРАЗОВАНИЯ ЭНДЕМИЧНОГО СЕМЕЙСТВА РЫБ ОЗЕРА БАЙКАЛ – ГОЛОМЯНОК (COMEPHORIDAE) Научный руководитель Кандидат биологических наук Кирильчик Сергей Васильевич РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Тетерина Вероника Игоревна Генетика –

Большая (Comephorus baicalensis Pallas) /Pallas,1776/ и малая (C.dybowski Korotneff) /Коротнев, 1905/ голомянки (Scorpaeniformes: Cottoidei) Модельные виды для исследований симпатрического видообразования: - близкородственные виды, относительно молодые виды - близкородственные виды, относительно молодые виды - ареалы обитания видов в значительной степени перекрываются - ареалы обитания видов в значительной степени перекрываются - одни из наиболее изученных среди байкальских рогатковидных рыб виды - одни из наиболее изученных среди байкальских рогатковидных рыб виды

Поперечный батиметрический разрез (юг-север) озера Байкала. (The INTAS Project Team, A new bathymetric map of Lake Baikal. Open-File Report on CD-Rom Южная котловина Средняя котловина Северная котловина

Схема филогенетических взаимоотношений байкальских и не байкальских рогатковидных рыб, построенное на основе анализа нуклеотидных последовательностей гена цитохрома b, генов АТФазы8 и АТФазы6 (Kontula et al.,2003) Корень монофилетичной группы Байкальских рогатковидных

Цель работы: Исследование генетического разнообразия и эволюционной истории семейства голомянок (Comephoridae) с помощью молекулярно-генетических методов Задачи: 1.Провести исследования внутривидового генетического полиморфизма двух видов семейства голомянок на основе полиморфизма длин микросателлитных локусов и на основе анализа нуклеотидных последовательностей митохондриального гена цитохрома b. 2.Оценить степень генетической изоляции между особями собранными из разных котловин Байкала - южной, средней и северной. 3.Сравнить результаты анализа внутривидового генетического полиморфизма и межвидовой дивергенции полученные с помощью маркеров микросателлитной и митохондриальной ДНК. 4.Провести оценку времени дивергенции видов и реконструировать эволюционную историю семейства голомянок.

Использовали праймеры разработанные для европейского подкаменщика Cottus gobio (Englbrecht et al., 1999) ЛокусПовторяющаяся единица Cgo56MEHU(GT) 20 Cgo1016PBBE(GT) 2 (GC) 3 (GT) 2 GCGTGC(GT) 8 Cgo1033PBBE(CA) 16 Cgo1114PBBE(GT) 7 TT(GT) 9 Cgo05ZIM(GT) 14 Cgo33ZIM(CA) 9 CC(CA) 7 Cgo42ZIM(CA) 23 А – продукт ПЦР визуализирован на рентгеновской пленке с помощью радиоактивной метки; В – тот же гель после окрашивания серебром.

Место сбора Южный Байкал Средний Байкал Северный Байкал Южный Байкал Средний Байкал Северный Байкал Место сбора Южный Байкал Средний Байкал Северный Байкал Южный Байкал Средний Байкал Северный Байкал Оценки показателей попарной генетической дифференциации по микросателлитным локусам между выборками из трех котловин Байкала Малая голомянка (среднее по всем семи локусам) Большая голомянка (среднее по шести локусам) Rst – красным цветом Fst – желтым цветом

Распределение частот аллелей малой и большой голомянок Классы частот аллелей Количество аллелей 0,1 0,2 0,4 0,7 0,5 0,6 0,3 1,0 0,9 0,8

Локусы FSTRST Cgo Cgo Cgo Cgo Cgo Cgo Среднее Индексы генетической дифференциации между совокупными выборками малой и большой голомянок

Диаграммы распределения частот аллелей малой и большой голомянок Количество аллелей выделено красным цветом По осям абсцисс- длина аллелей (пн) По осям ординат – частота встречаемости в долях Cgo56Cgo1016Cgo1033Cgo1114Cgo05Cgo33Cgo42 Большая голомянка Малая голомянка

Cgo56Cgo1016Cgo1114Cgo05Cgo33Cgo42 Всего малая большая - ожидаемая гетерозиготность - наблюдаемая гетерозиготность Наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготности малой и большой голомянок

Тест МакДональда – Крейтмана и индекс нейтральности сайты с фиксированны ми заменами полиморфные сайты несинонимичные замены 210 синонимичные замены 281 G-тестG = ( P = ) Индекс нейтральности Q o и Q i - реакционные центры, I-III и V-IX –трансмембранные домены, Арабские цифры - порядок расположения аминокислотных остатков относительно начала гена Двухмерная модель продукта гена цитохрома b (Howell, 1989) - фиксированные несинонимичные замены между малой и большой голомянками

Медианная сеть гаплотипов малой и большой голомянки, построенная на основе нуклеотидных последовательностей гена цитохрома b. Размер окружностей пропорционален количеству особей представляющих соответствующий гаплотип. Длина ветвей соединяющих гаплотипы пропорциональна количеству мутационных шагов. C.dybowski (малая голомянка) C.baicalensisII (большая голомянка – группа 2) C.baicalensisI (большая голомянка – группа 1) - Южный Байкал - Средний Байкал - Северный Байкал - потерянный гаплотип

Индексы генетической дифференциации между двумя генетическими группами большой голомянки по микросателлитным локусам F ST R ST Дерево построенное на основе полиморфизма микросателлитных локусов малой и большой голомянок c использованием генетических дистанций DAS. Тонкие линии – малая голомянка, жирные - большая, где: большая голомянка малая голомянка

t = тыс. лет (среднее значение тыс. лет) t = тыс. лет (среднее значение тыс. лет) Малая голомянка Ne ~ Большая голомянка – II Ne ~ – Большая голомянка – I Ne ~ t - время начала дивергенции Ne – эффективный популяционный размер Ne предковой для голомянок популяции ~

Филогенетическое древо, построенное баесовским методом на основе нуклеотидных последовательностей гена цитохрома b мтДНК голомянок и других представителей байкальских Cottoidei

95 Постериорные вероятности (в %) выделены красным цветом 100

Малая голомянка Большая голомянка I Большая голомянка II Диаграммы индексов генетического разнообразия (Hd и π ) гена цитохрома b большой и малой голомянок Hd – разнообразие гаплотипов π – нуклеотидная изменчивость

Возраст, тыс. лет Диатомеи, млн/г Содержание створок диатомовых водорослей в осадках озера Байкал (Гольдберг и др.2005) MIS2MIS4MIS3 MIS – Морская изотопная стадия t = тыс. лет (74-75 тыс. лет ) t = тыс. лет ( тыс. лет) Большая голомянкаII Большая голомянкаI Большая голомянкаII Малая голомянка

Выводы: 1. Согласно анализу микросателлитной ДНК и нуклеотидной последовательности митохондриального гена цитохрома b малая голомянка представлена в Байкале единой генетически не подразделенной популяцией. 2. Анализ полиморфизма микросателлитной ДНК не выявил какой-либо генетической подразделенности большой голомянки в пределах озера Байкал. 3. Анализ нуклеотидной последовательности митохондриального гена цитохрома b выявил наличие двух генетических групп большой голомянки. Распределение особей по группам не зависит от места сбора материала. 4. Филогенетический анализ полученных данных с привлечением нуклеотидных последовательностей гена цитохрома b других представителей байкальских рогатковидных рыб показал, что малая голомянка произошла от большой голомянки. 5. Время, прошедшее с начала дивергенции малой и большой голомянки составило тыс. лет, а двух групп большой голомянки тыс. лет. 6. Возможными причинами дивергенции генетических групп и видов голомянок являются резкие изменения климата в ледниковую стадию MIS тыс. лет назад.

ПУБЛИКАЦИИ Статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК: 1.Тетерина В.И., Суханова Л.В., Богданов Б.Э., Аношко П.Н., Кирильчик С.В. Анализ генетического полиморфизма пелагического вида рыб оз. Байкал - малой голомянки (Comephorus dybowski) по микросателлитным локусам // Генетика, 2005, том 41, 7, с Тетерина В.И., Суханова Л.В., Кирильчик С.В. Полиморфизм микросателлитной ДНК эндемичного рода рыб оз. Байкал – голомянок (Comephorus Lacepede, 1801) // Экологическая генетика, 2007, том V, 2, с Тезисы: 1.Teterina V.I., Kirilchik S.V., Sukhanova L.V. Significance of Microsatellite obtained from the bullhead Cottus gobio in the oilfish Comephorus dybowskii an endemic of lake Baikal // Abs. Of the third international symposium of the series speciation in ancient lakes (SIAL-3): Ancient lakes: speciation, development in time and space, natural history.- Novosibirsk: Nauka, P Тетерина В.И., Кирильчик С.В., Суханова Л.В. Пригодность микросателлитных маркеров, полученных на европейском обыкновенном подкаменщике, Cottus gobio для исследования популяционной структуры малой голомянки, Comephorus dybowski, эндемика Байкала// Мат. регион. научно-практ. конф. "Структура и функционирование экосистем Байкальского региона".- Улан-Удэ: Teterina V.I., Sukhanova L.V., Bogdanov B.E., Anoshko P.N., Kirilchik S.V. Intra-species genetic polymorphism of a little Baikal oilfish – Comephorus dybowski revealed by microsatellite analysis // The first Baikal Workshop on Evolutionary Biology. Abstracts. Irkutsk, Russia P Тетерина В.И., Суханова Л.В., Богданов Б.Э., Кирильчик С.В. Внитривидовой генетический полиморфизм малой Comephorus dybowski и больщой Comephorus baicalensis голомянок // Сборник материалов VIII Всероссийского популяционного семинара «Популяции в пространстве и времени» апреля 2005 г. Нижний Новгород, Россия; 2005; Тетерина В.И., Гайкалов И.В., Суханова Л.В., Кирильчик С.В. Эволюционные исследования рыб Байкала методами молекулярной биологии: основные результаты и перспективы // Тезисы докладов и стендовых сообщений Четвертой Верещагинской Байкальской конференции. Иркутск С Тетерина В.И., Суханова Л.В., Богданов Б.Э., Кирильчик С.В. Исследования темпов молекулярной дивергенции и видообразования на примере трех видов байкальских рогатковидных рыб // Популяционная экология животных: материалы Международной конференции «Проблемы популяционной экологии животных». – Томск С

Благодарности Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю - к.б.н. Кирильчику С.В. за внимательное и конструктивное руководство, а также к.б.н. Сухановой Л.В., к.б.н. Дзюба Е.В., к.б.н. Богданову Б.Э. за ценные консультации на всех этапах исследования. Огромную благодарность автор выражает заведующей лабораторией биологии рыб к.б.н. Мельник Н.Г. И сотрудникам лаборатории Аношко П.Н. и Ханаеву И.В. за содействие в сборе материала. Автор выражает признательность к.б.н. Бондаренко Н.А., к.б.н. Воробьевой С.С., к.г.н. Гранину Н.Г за неоценимую помощь в интерпретации полученных в данном исследовании результатов. Работа выполнялось при финансовой поддержке гранта РФФИ, проект

Схема филогенетических взаимоотношений голомянок с другими представителями байкальских Cottoidei, построенная на основе нуклеотидных последовательностей гена цитохрома b мтДНК. бутстреп- значения (в %) выделены красным цветом

Место сбора Южный Байкал Средний Байкал Северный Байкал Южный Байкал (n=7) Средний Байкал (n=6) Северный Байкал (n=8) Место сбора Южный Байкал Средний Байкал Северный Байкал Южный Байкал (n=5) Средний Байкал (n=9) Северный Байкал (n=11) Оценки показателей попарной генетической дифференциации по микросателлитным локусам между выборками из трех котловин Байкала (среднее по шести локусам) Большая голомянка - I Большая голомянка - II Rst – красным цветом Fst – желтым цветом