Популяционные и генетические механизмы межвидовой гибридизации млекопитающих (на примере рода Spermophilus)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Популяционные и генетические механизмы межвидовой гибридизации млекопитающих (на примере рода Spermophilus)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

гибридизация млекопитающий межвидовой

Актуальность исследования. Несмотря на более чем 80-летнее изучение гибридизации животных, вопросы выявления основных популяционных и генетических закономерностей существования гибридных зон до сих пор остаются открытыми (Howard et al., 2003). Не совсем ясны причины появления гибридных популяций, механизмы их стабилизации и факторы, определяющие их локализацию. Особое место занимают вопросы выяснения причин и механизмов сохранения жизнеспособности и эволюционного потенциала гибридных популяций. Применение современных методов исследований популяционной динамики в сочетании с использованием молекулярно-генетических методов позволяет получать качественно новую информацию об их структуре, силе потоков генов через гибридные зоны, эволюционном потенциале гибридных популяций, а также прогнозировать их дальнейшее развитие и судьбу. К сожалению, подобные исследования затрагивают небольшое число гибридных зон ограниченного набора видов млекопитающих, а имеющиеся научные работы посвящены в основном изучению материнских линий по структуре мтДНК, а также направлению и степени интрогрессии ядерных и митохондриальных генов (Funk, Omland, 2003).

Исследования гибридных популяций в пространстве и времени являются актуальными и необходимы для понимания механизма процесса естественной межвидовой гибридизации. При этом изучение влияния на популяционную структуру гибридных поселений факторов среды (экологических и социальных), анализ изменчивости морфо-фенотипических признаков особей и их приспособленности, а также репродуктивного успеха и особенностей жизненного цикла позволит понять масштабы и определить цену последствий межвидовой гибридизации для особи, популяции и вида в целом. Использование в популяционных исследованиях молекулярно-генетических маркеров ядерной и митохондриальной ДНК (диагностирующих гибридное происхождение, а также направление и силу интрогрессии), а также микросателлитной ДНК (выявляющих индивидуальный полиморфизм, родство и родственные линии особей) в исследованиях такого рода поднимает решение указанных проблем на новый уровень (Queller et al., 1993; Рысков, 1999; Sunnucks, 2000).

Удобной моделью для изучения смешанных и гибридных поселений близких видов млекопитающих, а также гибридных зон являются наземные беличьи, в частности, суслики (Rodentia, Sciuridae, Spermophilus), среди которых, по сравнению с грызунами других таксономических групп, межвидовая гибридизация - явление достаточно обычное. У 12 евразийских видов сусликов рода Spermophilus выявлены 15 зон перекрывания ареалов, в 8 из которых достоверно отмечена гибридизация.

Цель работы - выявление основных экологических, демографических, поведенческих, социальных и генетических факторов и механизмов межвидовой гибридизации, процесса образования и существования гибридных поселений, а также гибридных зон млекопитающих (на примере рода Spermophilus).

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать теоретические представления и фактические данные о изолирующих и способствующих межвидовой гибридизации факторах; оценить их роль (модальность, валентность) и механизмы действия в зависимости от внутривидовой изменчивости популяционных показателей (демографических, поведенческих, экологических) и меняющихся условий.

2. Разработать универсальную технологию исследований гибридных популяций, основанную на прижизненных и неинвазивных методах многолетнего мониторинга и включающую комплексную оценку последствий межвидовой гибридизации на различных уровнях организации: популяционном, организменном, генотипическом.

3. Провести анализ условий, способствующих устойчивой симбиотопии или пространственной сегрегации видов, и оценить пространственно-временную роль биотопа в процессе межвидовой гибридизации.

4. Установить специфику пространственной, социальной и демографической структуры поселений родительских видов, степень их трансформации в условиях симбиотопии и особенности, определяющие устойчивость и жизнеспособность смешанных поселений.

5. Выявить видовую специфику и степень внутривидовой изменчивости репродуктивного и агрессивного поведения родительских видов, а также поведенческие факторы, способствующие их гибридизации в смешанных поселениях.

6. Установить пространственно-временную динамику структуры смешанных и гибридных поселений сусликов в зависимости от экологических, демографических и социальных факторов; выявить среди них наиболее значимые для стабилизации и устойчивого существования гибридных популяций.

7. Установить механизмы стабилизации гибридогенных популяций на основе анализа их генетической структуры, динамики генетического разнообразия, степени панмиксии и репродуктивного успеха особей.

8. Оценить эволюционные перспективы гибридогенных популяций, а также предложить схемы формирования гибридных поселений млекопитающих. Провести типизацию гибридных зон сусликов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Экологические, социо-демографические и поведенческие особенности близких видов могут выступать в роли как изолирующих, так и способствующих гибридизации факторов. Их модальность (та или иная их роль) определяется, с одной стороны, состоянием популяций взаимодействующих видов, а с другой стороны - экологическими условиями в зоне контакта.

2. При оптимальных популяционных условиях (оптимальная численность, стабильный состав, баланс полов) симпатрические виды в смешанных поселениях эффективно реализуют специфические жизненные стратегии и надежно разобщены. В пессимальных популяционных условиях (депрессия численности, дисбаланс полов, неустойчивый состав) вероятность гетероспецифических контактов возрастает, что ведет к началу межвидовой гибридизации.

3. Генетическая стабилизация гибридогенных популяций происходит по балансному механизму и связана с интрогрессией генов и аллелей. На скорость стабилизации влияют степень пространственной интеграции и особенности репродукции симпатрических видов (ассортативность спариваний, множественное отцовство и репродуктивный успех), а также начальное состояние популяций симпатрических видов и иммиграционные процессы.

4. Для видов с дискретным распространением в ареале, характерны особые организованные по экологическому типу бимодальные гибридные зоны, в которых гибридные поселения, образующиеся путем инвазии одного из симпатрических видов в поселение другого или путем слиянием симпатрических популяций, разделены поселениями симпатрических видов со следами интрогрессии. Эволюционные перспективы гибридогенных популяций сусликов определяются долговременностью их существования, сохранением гибридного разнообразия и устойчивостью к поглотительным и (или) интрогрессивным процессам.

Научная новизна и теоретическая ценность работы

Впервые критически оценены возможности использования концепции изолирующих механизмов на примере смешанных популяций млекопитающих. Показано, что принципиальных различий между барьерными и способствующими гибридизации популяционными факторами нет. Впервые выяснено, что в процессе гибридизации млекопитающих решающее значение имеют состояние популяций гибридизирующих видов и условия формирования контактных поселений. Предложен оригинальный подход к исследованию процесса межвидовой гибридизации млекопитающих и объяснению его механизма. Подход основан на прижизненных и неинвазивных методах многолетнего мониторинга гибридных популяций млекопитающих, включает комплексную оценку последствий межвидовой гибридизации на генотипическом, организменном, популяционном уровнях с широким использованием методов молекулярно-генетического анализа. Впервые приведено описание специфики пространственной, социальной и демографической структуры гибридных поселений млекопитающих, пространственно-временной динамики их генетической структуры, а также механизмов стабилизации гибридогенных популяций на основе анализа соотношения материнских и отцовских линий, силы интрогрессивных процессов, степени ассортативности спариваний, множественного отцовства и репродуктивного успеха особей. Предложены оригинальные схемы формирования гибридных поселений млекопитающих. Предложена новая схема структуры мозаичной бимодальной гибридной зоны млекопитающих, организованной по экологическому типу. Впервые описаны межвидовые гибриды большого и жёлтого, большого и крапчатого сусликов. Дан анализ морфо-фенотипической изменчивости гибридных особей и описано её возможное эволюционное значение.

Практическая значимость

Практическая значимость работы связана с разработкой универсальной методологии исследования гибридных популяций млекопитающих. Предлагаемые комплексные прижизненные методы исследований поселений сусликов позволяют прогнозировать развитие в них популяционной ситуации и своевременно планировать охранные мероприятия. Данный опыт может быть распространен и на другие таксоны животных, а также может использоваться при проведении природоохранных мероприятий по сохранению биоразнообразия в целом. Полученные результаты работы используются в курсах «Зоология позвоночных», «Экология», «Этология» для студентов Пензенского государственного педагогического университета и могут быть использованы в других высших учебных заведений биологического профиля.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на 17 международных и 14 всесоюзных и всероссийских конференциях и совещаниях, на межлабораторных семинарах и коллоквиумах ИПЭЭ РАН и заседаниях кафедры зоологии позвоночных МГУ им. М.В. Ломоносова и кафедры зоологии и экологии ПГПУ им. В.Г.Белинского.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 76 научных работ, из них 21 в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Содержание диссертации изложено на 230 страницах машинописного текста; работа состоит из введения, восьми глав, заключения, выводов и приложения, включает 110 рисунков и 38 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 351 научной работы, в том числе 137 на русском и 214 на иностранных языках.

гибридизация млекопитающий межвидовой

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность исследования, формулируются цели и задачи.

Глава 1. Гибридные зоны животных: результаты и перспективы популяционных исследований

Межвидовая гибридизация у животных

Гибридизацией называют скрещивание особей двух популяций различимых по одному или более наследственным признакам (Woodruff, 1973; Harrison, 1990). С позиций аллопатрического видообразования в середине прошлого века межвидовая гибридизация животных считалась исключительным явлением, и для большинства симпатрических видов не признавалась (Huxley, 1938; Майр, 1974). Увеличение числа обнаруженных межвидовых гибридов повысило внимание ученых к возможности гибридогенного видообразования у животных (Harrison 1989; Avise 1994). Стало очевидным, что межвидовая гибридизация повышает изменчивость природных популяций и наравне с наследственной изменчивостью может играть роль «поставщика» эволюционного материала (Даревский, 1974; Мина, 1980; Крюков и др., 2001), а зоны гибридизации можно рассматривать как «природные лаборатории» эволюционного процесса (Hewitt, 1988; 2001; Barton, Hewitt, 1989; Harrison, 1990; Barton, 2001).

В течение последних сорока лет накоплен значительный материл о роли гибридизации в таких группах животных как рыбы, амфибии и рептилии, а также у беспозвоночных (Боркин, Даревский, 1980; Васильев, 1985; Даревский 1986; Darevsky, 1983). У высших позвоночных - птиц и млекопитающих - быстрое гибридогенное видообразование на основе аллополиплоидии не выявлено. Однако естественная гибридизация не представляет редкости и в этих таксонах животных (Панов, 1986).

У млекопитающих случаи естественной гибридизации, протекающей в настоящее время (ныне существующие гибридные зоны), ограничены несколькими примерами. Заметно больше информации можно найти о случаях былой гибридизации млекопитающих при обзоре работ, посвященных интрогрессии мтДНК и ядерных генов (Funk, Omland, 2003). Случаи неравновесной интрогрессии мтДНК и генов Y-хромосомы были выявлены у тёмной полевки (Microtus agrestis) (Jaarola et al, 1997), домовых мышей Mus musculus и M. domesticus (Ferris et al, 1983; Gyllenstein, Wilson, 1987; Vanderberghe et al, 1986) и африканских слонов Loxodonta cyclotis и L. africana (Roca et al, 2005). Нами была показана широкая интрогрессия мтДНК (Ермаков и др., 2002) при единичных случаях интрогрессии Y-хромосомы (Ермаков и др., 2006) у евразийских сусликов. Сходные данные были получены для американских бурундуков (Good et al, 2003). Интрогрессия по мтДНК была выявлена у белохвостого и чернохвостого оленей (Odocoileus hemionus, O. virginianus) (Carr et al., 1986; Ballinger et al., 1992), у белоногого хомячка Peromyscus leucopus (Nelson et al., 1987), у рыжей и красной лесных полевок (Clethrionomys glareolus, C. rutilus) (Tegelstrцm, 1987), у гоферов р. Geomys и Thomomys (Bradley et al., 1991; Patton, Smith, 1993), у койота и лугового волка (Canis lupus, Canis latrans) (Wayne, Jenks, 1991; Lehmann et al., 1991), оленей Cervus elaphus и C. nippon (Abernethy, 1994) и у зайцев Lepus timidus и L. europeus (Thulin et al., 1997; Thulin et al., 2006). Такое разнообразие работ по интрогрессии чужеродного генетического материала - следам былой гибридизации - лишний раз подтверждает актуальность и перспективность изучения случаев гибридизации млекопитающих, происходящей в настоящее время (Wirtz, 1999).

Среди сусликов (Spermophilus) естественная гибридизация довольно широко распространена, что делает эту группу грызунов удобной моделью для исследования механизмов и факторов гибридизации. У 28 видов американских земляных белок известны 36 контактных зон (Hall, 1981): 19 из них являются зонами симпатрии, 13 - парапатрии и 4 - алло-парапатрии. Описаны только 2 случая межвидовой гибридизации - интрогрессивная гибридизация S. tridecemlineatus и S. mexicanus (Zimmerman, Cothran, 1976; Cothran, 1983; Cothran, Honeycutt, 1984) и гибридизация S. armatus и S. beldingi (Hall, 1943). У 13 видов сусликов Евразии выявлено 8 зон перекрывания ареалов: из них 5 являются зонами симпатрии и 3 - парапатрии. Почти у половины видов описан факт гибридизации - S. major и S. pygmaeus (Бажанов, 1944; Денисов, 1963; Формозов, Никольский, 1986; Ермаков, 1996), S. major и S.fulvus (Бажанов, 1944), S. pygmaeus и S. suslicus (Денисов, 1961, 1963; Стойко, 1985; Никольский и др., 1984), S. suslicus и S. citellus (Громов, Ербаева, 1995), S. major и S. erythrogenys (Никольский, Стариков, 1997; Жилин, 2002; Спиридонова и др., 2005, 2006), S. major и S.suslicus (Титов, 1999).

Таким образом, для млекопитающих довольно обычны случаи итрогрессии чужеродного генетического материала в результате случайных и исторически отдаленных событий межвидового сингенеза, что значительно повышается интерес к изучению гибридных зон млекопитающих существующих на настоящий момент.

Гибридные зоны животных

Гибридные зоны, образуясь в местах перекрывания ареалов, являются областями успешного скрещивания популяций (Крюков, 2000). Биологический вид существует как генетически связные популяции (Dobzhansky, 1950). Поэтому анализ пространственного распределения популяций в ареале и в географических зонах гибридизации позволяет выявить механизмы репродуктивной изоляции и характер видообразования в гибридной зоне (Hewitt, 1989). Пространственное моделирование гибридных зон с помощью клинальной теории изменчивости помогает пониманию происходящих процессов естественной гибридизации (Rieseberg et al., 1999; Barton, 2001; Brumfield et al., 2001). Распределение точек гибридизации в гибридной зоне часто географически совпадает с формой и шириной клины, поддерживаемой в пределах гибридной зоны балансом между дисперсией и отбором (Haldane, 1948; Barton, Hewitt, 1985). Однако часто наблюдаются отклонения от этой схемы по причине асимметричной интрогрессии митотипов ДНК относительно ядерных и/или морфологических маркеров вне зоны контакта (Anderson, 1949; Dowling, Hoeh, 1991; Jaarola et al., 1997; Wirtz, 1999; Sota et al., 2001; Ross, Harrison, 2002). В тоже время результаты обширной интрогрессивной гибридизации трудно дифференцировать от наследственного полиморфизма (Harrison, Bogdanowicz, 1997; Goodman et al., 1999; Hare et al., 2002), что связано с эволюционным наложением результатов разновременных гибридизаций и фактически не позволяет различать исторические и современные признаки интрогрессии (Arntzen, Wallis, 1991). В таких случаях только данные филогеографии и широких популяционных исследований позволят дифференцировать интрогрессию от последствий наследственного полиморфизма.

История изучения гибридных зон животных, насчитывающая уже 80 лет (Howard et al., 2003). Итогом таких интенсивных исследований гибридных зон животных из разных таксонов явились различные системы их классификации. Одна из них (Крюков, 2000) основана на описании пространственных особенностей зоны контакта (зоны швов, парапатрические гибридные зоны, мозаичные гибридные зоны, симпатрические гибридные зоны). Другая классификация (Jiggins, Mallett, 2000) основана на оценке интенсивности происходящей гибридизации (унимодальные (однородные), бимодальные и промежуточные «выровненные» (flat hybrid zone) гибридные зоны). Третья классификация базируется на оценке способов образования и локализации гибридных зон животных (Hewitt, 1988). Под гибридной зоной в ней понимается любая клинальная последовательность распределения генов(аллелей) и/или признаков. Это определение значительно расширяет объектную базу классификации, так как под неё подпадают все известные типы зон интрогрессии. Выделяют девять типов гибридных зон: 1) диффузные, 2) движущие волны, 3) гетерозиготные зоны напряженности, 4) гомозиготные зоны напряженности, 5) экологические гибридные зоны, 6) зоны гибридного преимущества, 7) множественные гибридные зоны, 8) гибридные зоны-ловушки, 9) гибридные зоны сокращения и расширения ареала.

Таким образом, анализ состояния изученности гибридных зон животных, показал, что в отличие от типологии и характеристики гибридных зон, основанных на их структурных особенностях, основные генетические и популяционные закономерностей их возникновения, устойчивого существования и динамики до сих пор остаются мало изученными (Howard et al., 2003). Этот вывод особенно актуален для гибридных зон млекопитающих.

Глава 2. Методологические основы исследований гибридных зон и гибридных поселений млекопитающих: факторы гибридизации и изоляции

В основу работы положены два методологического подхода.

1. Исследования смешанных и гибридных поселений сусликов проводили с использованием биографического подхода (Овсянников, 1986), основанного на прижизненных и неинвазивных методах многолетнего мониторинга всего населения (диагностика происхождения, генетическая и морфологическая паспортизация, установления демографического и социального статуса каждой особи), что позволяло отслеживать историю возникновения и динамику смешанных популяций в пространстве и времени.

2. В исследованиях процесса межвидовой гибридизации мы придерживались методологии, предложенной Пановым (1986) и модифицированной с учетом современного уровня развития методов исследований и спецификой самого объекта исследований. При описании и объяснении феномена гибридизации в рамках этого подхода предполагались комплексные исследования, направленные на (1) установление поведенческих механизмов гибридизации; (2) выявление популяционных и экологических факторов, способствующих гибридизации; (3) установление генетических основ и механизмов гибридизации; (4) оценку последствий гибридизации (характера наследования гибридами признаков родительских видов, возможностей новых формообразований, судьбы гибридных популяций и их эволюционного потенциала). Исследования конкретных случаев гибридизации включают три основных методологических блока.

Описание и классификация ситуации межвидовой гибридизации. Под гибридизацией мы понимали скрещивание особей, принадлежащих к разным популяциям, у которых в норме есть разрыв (хиатус) по каким-либо морфологическим, экологическим, поведенческим, физиологическим или генетическим признакам (Панов, 1986). Для классификации случаев гибридизации мы использовали систему Шорта (Short, 1969): 1) случайная (спорадическая) симпатрическая гибридизация (до 10% гибридов); 2) зона перекрывания ареалов с гибридизацией (10-95% - гибридов); 3) гибридная зона (95-100% - гибридов); 4) скопление гибридов. Классификация ситуаций межвидовой гибридизации на практике обычно затруднена, вследствие недостаточности знаний о генетической структуре гибридных популяций (Панов, 1989). Используя молекулярно-генетический анализ, этого можно избежать. Кроме пространственного (географического) контакта гибридизирующих популяций в этом блоке исследовались биотопические особенности гибридных поселений (пространственная изоляция).

Популяционные исследования. Говоря о популяции, мы понимали под ней определенную совокупность особей, населяющих данную местность. При этом для сусликов границы популяции достаточно надёжно определены, вследствие дискретной структуры их ареала, связанной с формированием пространственно обособленных поселений. Такая пространственная обособленность поселений сусликов позволяет проводить тотальный отлов и идентификацию всех особей, отслеживая популяционную ситуацию в динамике, в пространстве и во времени. В зависимости от видового состава и особенностей межвидовых взаимоотношений мы выделяли 4 категории поселений: 1) видовые («чистовидовые») поселения симпатрических видов; 2) совместные поселения с выраженным стациальным разобщением видов и спорадической гибридизацией; 2) смешанные поселения, характеризующиеся биотопической агрегацией гетероспецификов со спорадической гибридизацией; 3) гибридные поселения с преобладанием гибридных особей (выше 30%) и интрогрессивной гибридизацией.

В синтетической теории эволюции важную роль отводят этологическим изолирующим механизмам (Панов, 1986). В качестве факторов репродуктивной изоляции (Серебровский, 1935) выделяют: 1) факторы, препятствующие встрече двух видов (географические и биотопические), 2) факторы, препятствующие спариванию и осеменению (сезонные, поведенческие и морфологические), 3) препятствия к оплодотворению, 4 и 5) препятствия, связанные с трудностью появления на свет и пониженной жизнеспособностью гибридного потомства. Среди факторов, способствующих гибридизации чаще всего называют три (Майр, 1968): 1) наружное оплодотворение; 2) редкость одного из гибридизирующих видов; 3) отсутствие длительных устойчивых связей между самцами и самками (промискуитет). При сопоставлении изолирующих и способствующих гибридизации факторов, не связанных с несовместимыми морфологическими, генетическими или физиологическими различиями видов, что принципиальных отличий между ними нет. Решающее значение для инициации межвидовой гибридизации может иметь состояние популяции смешанного поселения или симпатрических популяций контактирующих видов, а сами факторы в зависимости от этого состояния могут выступать как в качестве изолирующих, так и способствующих гибридизации. К числу таких бимодальных факторов можно отнести: 1) биотопическую приуроченность (биотопическое распределение кон- и гетероспецификов); 2) пространственную и социальную структуру поселений (пространственное распределение кон- и гетероспецификов, характер межполовых связей, структура репродуктивных ячеек); 4) демографическую структуру поселений (численность, поло-возрастной и видовой состав, успех репродукции, иммиграция). По нашему предположению, в оптимальных популяционных условиях (высокая численность, сбалансированный половой состав, пространственная интеграция конспецификов) все эти факторы будут выступать в роли изолирующих. Напротив, в пессимальных популяционных условиях (депрессия численности, несбалансированный половой состав, численное преобладание одного из видов, приток особей одного из видов (миграции), пространственное разобщение конспецификов), когда реализация специфических особенностей биологии видов затруднена, эти факторы могут способствовать агрегации гетероспецификов и инициации межвидовой гибридизации.

Таким образом, в основу популяционных исследований были положены многолетние прижизненные методы популяционные исследования населения (каждой особи) гибридных популяций с использованием комплекса традиционных диагностических методик (морфологических и биоакустических) и молекулярно-генетического анализа с применением митохондриальных, ядерных и микросателлитных маркеров ДНК.

Изучение эволюционного судьбы гибридных популяций и гибридных зон. Получить представление об эволюционной роли гибридизации возможно только при полной инвентаризации гибридных популяций. Поэтому исследования гибридных зон мы начинали с изучения их размеров и границ, насыщенности поселениями различных категорий и динамики. Следующим этапом в работе было полномасштабные многолетние популяционные исследования по паспортизации особей модельных поселений. При этом применение набора молекулярно-генетических маркеров позволило более дифференцировано подойти к описанию гибридных населений и выявить в гибридной популяции новообразования, как свидетельства эволюционной роли гибридизации. Использование популяционных генетических показателей (уровень гетерозиготности, сила потока генов, аллельное разнообразие, степени гетерогенности) позволило оценить силу и направление происходящих в гибридной популяции генетических процессов, а также спрогнозировать судьбу гибридных популяций.

Глава 3. Материал и методы

Материалом для работы послужили результаты комплексных исследований четырех гибридных зон сусликов - малого (Spermophilus pygmaeus Pall., 1778) и крапчатого (S. suslicus Gьld., 1770), малого и большого (S. major Pall., 1778), большого и жёлтого (S. fulvus Licht., 1823), большого и крапчатого, поведенные в 1996 - 2008 гг.

Характеристика материала исследований

Всего за весь период работы было отловлено и помечено 861 экз., из которых 365 экз. были большими сусликами, 206 экз. - крапчатыми, 89 экз. - жёлтыми, 20 экз. - малыми и 181 экз. - межвидовых гибридов (табл.). Приведенные в таблице выборки по сути представляют собой генеральные совокупности для каждого контактного поселения за все годы, поскольку получены на основе прижизненной индивидуальной и генетической идентификации каждой особи в каждом поселении.

Гибридная зона большого и жёлтого сусликов. Структура зоны изучалась в ходе хорологических исследований (около 10 000 км маршрута), проведенных в Саратовской обл. и Актюбинской обл. Казахстана. Было обследовано 32 поселения сусликов. Зона гибридизации S. major и S. fulvus, по всей видимости, существует уже давно, о чем свидетельствуют единичные факты обнаружения гибридов (Бажанов, 1944; Беляев, 1955). На сегодняшний день она представлена казахским и российским (Саратовское Заволжье) участками. Проведённые исследования в Казахстане выявили следы интрогрессии мтДНК и Y-хромосомы (Ермаков и др., 2007). Гибридные поселения видов на этом участке обнаружены не были. Российский участок зоны образовался недавно (Ерусланские пески) в результате расселения большого суслика (Ермаков, Титов, 2000) и частичного восстановления численности S. fulvus (Ермаков, 1997; Кучерук, 1998). В 2001 г. S. major был зарегистрирован в окрестностях с. Усатово (Краснокутский р-н), где было обнаружено смешанное поселение (Шилова и др., 2002), которое в последствие стало гибридным (Титов и др., 2005). В зоне контакта большого и жёлтого сусликов было отловлено и помечено 203 особи родительских видов и межвидовых гибридов.

Гибридная зона большого и крапчатого сусликов. В конце прошлого века, в результате расселения большого суслика на правобережье Волги (Ермаков, Титов, 2000) возникла зона симпатрии этого вида с аборигенным крапчатым сусликом (Титов, 1999; Титов, 2001а). В результате обследования зоны контакта (около 8 000 км маршрута) были обнаружены 105 поселений S. suslicus, 74 - S. major и 3 контактных поселения симпатрических видов (Титов, 1999). В обширной зоне симпатрии выделена узкая зона гибридизации этих видов, в которой проводили многолетние стационарные популяционные исследования. За период исследований было отловлено и помечено 564 особи родительских видов и межвидовых гибридов.

Гибридные зоны большого и малого, крапчатого и малого сусликов. Гибридная зона большого и малого суслика характеризуется спорадической гибридизацией видов (Ермаков, 1996). В её пределах обнаружено только 3 совместных поселения (с. Погромное, Тоцкий р-н; пос. Дружный, Первомайский р-н, Оренбургская обл.; хут. Булак, Хобдинский р-н, Актюбинская обл., Казахстан). В последнем поселении были отловлены 2 гибридные особи. Гибридная зона крапчатого и малого сусликов, обнаруженная в 60-е годы, на современный момент не существует. Для изучения гибридного поселения этих видов были использованы коллекционные сборы В.П.Денисова (1957-1958 гг.).

Таблица. Объем собранного материала

*все особи из контактных поселений прижизненно паспортизированы по морфологическим, биоакустическим и молекулярно-генетическим маркерам (1 маркер мтДНК, 5 маркеров яДНК и 3 микросателлитные системы)

Методика полевых исследований и методы обработки материала

Анализ морфо-фенотипических особенностей гибридов и родительских видов. Проводился по 4 показателям: длина тела, L (мм); плюсны, Pl (мм); хвоста, C (мм) и живой вес,G (г). Окраску особей родительских видов и гибридов изучали колориметрическим методом (Гашеев, 1999), основанным на оценке интенсивности красной, синей и зеленой части спектра пиксельной развертки цифровых фотоснимков зверьков (4 экспозиции: общий вид, голова с боку и сверху, спина) при помощи пакета программ Adobe^© Photoshop^© ver. 8.0 CS. Проанализировано 40 экз. - больших ,10 экз. - жёлтых, 13 экз. - крапчатых сусликов и 57 экз. - их гибридов.

Анализ биотопических предпочтений сусликов. Проводился в 12 модельных поселениях (гибридная зона S.major и S.suslicus - 7, S.major и S.fulvus - 2; S.major и S.pygmaeus - 3) на основе анализа распределения нор сусликов по геоботаническим выделам, описанным с использованием стандартной геоботанической методики (Василевич, 1969). Всего, таким образом, были описаны участки вокруг 774 нор, из них 536 крапчатого суслика, 129 большого, 40 жёлтого, 33 из гибридного поселения S.major и S.suslicus и 36 из гибридного поселения S.major и S.fulvus. Предпочтения сусликами микробиотопов оценивались по плотности нор в расчете на выдел. Тип распределения нор в пространстве оценивали статистически ? ²/m (Пианка, 1981).

Биоакустический анализ. Использовали записи предупреждающих об опасности сигналов сусликов, полученные с помощью цифрового магнитофона «Marantz PMD 670» и микрофона «SONY ECM737». Частотные (начальная, максимальная, конечная частота, глубина модуляции, кГц) и временные (длительность, мс) характеристики сигналов получены при помощи программ Avisoft-Sonograph и Adobe Audition ver. 1.0. Всего проанализировано 929 сигналов S. major (n = 78), 193 - S. fulvus (n = 10), 113 - S. suslicus (n = 35), 965 - гибридов S. major и S. fulvus (n = 43) и 607 - гибридов S. major и S. suslicus (n = 32).

Исследования структуры поселений и поведения. Проводились в 1995-1998 гг. в 2 поселениях крапчатого и в 2 поселениях большого суслика, а также в течение всего периода работы в четырех контактных поселениях сусликов при использовании стандартных этологических методик (Попов, Ильченко, 1990). Показатели участков обитания оценивали при использовании программы ELLIPS (Nikol'sky et al., 1990) либо по данным GPS-картирования с использованием пакета программ OziExplorer (D&L Software Pty Ltd, 2005). Показателями пространственных отношений были дистанция и тип распределения особей в пространстве. Характер социальных отношения оценивали по половому и видовому составу пространственных группировок особей. Демографическая структура поселений оценивалась по половому и возрастному составу, а также по данным выживаемости молодняка и сохранности в составе населения размножавшихся особей. Наблюдения за поведением проводили в смешанных и гибридных поселениях, а также в 2 видовых поселениях S. major и 2 - S. suslicus. Общее время наблюдений составило 1200 ч. Регистрировали и описывали последовательность репродуктивных и агонистических контактов. Для анализа использовали частоту (регистрации) элементов поведения. Цепочки последовательных элементов поведения подвергали корреляционному анализу (R_S, ф-корреляция), что позволило выявить типичные схемы и модели поведенческой активности видов.

Методика молекулярно-генетических исследований

Молекулярно-генетические исследования решали четыре задачи: 1) определение видовой принадлежности особей и выявление гибридного происхождения, 2) изучения генетической структуры смешанных и гибридных популяций, 3) изучение генетического разнообразия и уровня гетерозиготности популяций, 4) определение родства и отцовства на основе микросателлитного анализа. ДНК выделяли из образцов фаланг пальцев и крови на фильтрах по стандартной методике (Arrigi et al., 1968). Были использованы 6 молекулярно-генетических маркеров: контрольный регион мтДНК (С-регион, D-loop) - материнские линии, 4 маркера ядерной ДНК - интрон 6 протоонкогена p53 (апоптоз), псевдоген (Ш) гена p53, интрон 5 гена ZfX (zinc-finger gene) - Х-хромосома, интрон 8 гена SmcY (male-specific histocompatibility antigen) - Y-хромосома, отцовские линии, ген HOX b5 (homeobox-containing). Полимеразную цепную реакцию (PCR) проводили в стандартной реакционной смеси с использованием разработанных нами специфических праймеров (Ермаков и др., 2002; 2006).

Видовая специфичность и индивидуальность фрагментов ДНК, полученных в ходе PCR, определяли по различиям масс этих фрагментов или особенностями полипептидного спектра гидролизата после рестрикционного анализа. Для изучения уровня гетерозиготности популяций и родственных связей особей проводили анализ микросателлитной ДНК по 7 разработанным системам. Гибридное происхождение особи устанавливали по гетерозиготному состояния видоспецифических молекулярно-генетический маркеров в её генотипе. При анализе генетической структуры поселений выделяли три структурные составляющие: гибридную популяцию и две популяции родительских видов. Использовали 5 показателей: 1) доля гибридов, 2) уровень гетерозиготности (Arlequin ver. 3.1, 1995-2006; Laurent Excoffier, 2006), 3) соответствие наблюдаемых частот генотипов с теоретически ожидаемыми (соотношение Харди-Вайндберга), 3) частота митотипов, 4) частота специфических Y- хромосом, 5) сила потока генов (М) из родительских популяций в гибридную (Хендрик, 2003). Родственные линии отслеживали по данным молекулярно-генетического анализа индивидуальной специфичности микросателлитной ДНК.

Глава 4. Биотопические основы симпатрии близкородственных видов млекопитающих: первый уровень факторов гибридизации

Географическое и биотопическое препятствие к встрече двух видов являются первыми факторами репродуктивной изоляции (Серебряковский, 1935; Майер, 1968). Биотопическая сегрегация симпатрических видов возможна в случае двух условий: 1) среда должна быть гетерогенной и 2) особи способны отличать одно «местообитание» от другого (Панов, 1989). Гомогенность биотопа, а также отсутствие «разборчивости» в местообитаниях у особей, хотя бы одного из контактирующих видов, напротив, должны способствовать гибридизации. Таким образом, биотопические условия местообитания контактирующих видов являются первым уровнем факторов гибридизации. Они обеспечивают «первичный контакт» гетероспецификов. Одним из способов установления биотопических предпочтений видов является выявление битопической приуроченности их убежищ (Murray, Vestal, 1979; Elliot, 1983). Биотопические предпочтения видов сусликов оценивали по факту наличия и обилия их нор в выделенных по флористическим показателям микростациях (Титов, 2000).

Видоспецифичность биотопических предпочтений как фактор межвидовой изоляция

Приводится подробный анализ биотопических предпочтений крапчатого, большого, малого и жёлтого сусликов. С целью выявления определяющих факторов среды и биотопических параметров был проведен факторный анализ (метод главных компонент). Проанализированные биотопические показатели объединяются в два кластера, соответствующих основным свойствам биотопа - обеспеченности кормовыми ресурсами и качеству субстрата (рис. 1). По первому фактору (F1, 40%), соответствующему изменениям степени мезофитности биотопа, максимальная факторная нагрузка выявлена для обилия злаков (0.91) и ксерофильной растительности - типчака (-0.82) и полыни (-0.73). По второму фактору (F2, 23%), соответствующему изменениям густоты растительного покрова и качества субстрата, максимальная нагрузка отмечается для проективного покрытия (0.831) и толщины дёрна (0.595). Таким образом, по результатам факторного анализа используемые для описания биотопов показатели надежно описывают наиболее важные свойства местообитаний и пригодны для характеристики биотопической ниш сусликов.

Для выяснения степени расхождения биотопических ниш изученных видов сусликов был использован дискриминантный анализ (Шенброт, 1986) (рис. 2). По первой дискриминантной функции (DF1, 87%) расхождение эллипсов биотопических параметров видовых местообитаний отмечается только для большого и крапчатого сусликов. Максимальные факторные нагрузки по оси этой функции приходятся на обилие мезофитных злаков (0.66), типчака (-0.77) и полыни (-0.35). При этом узкая ниша S. suslicus указывает на предпочтения им мезофитной злаковой растительности, тогда как большой и жёлтый суслики способны использовать и ксерофитные ее виды.

Вторая дискриминантная функция (DF2, 13%) не позволяет надёжно разделить эллипсы биотопических ниш. Однако по этой дискриминантной оси заметна бульшая ширина ниш S. major и S. suslicus при относительно узкой нише S. fulvus. При этом максимальная факторная нагрузка по оси этой функции отмечается для показателей обилия степного разнотравья (0.26), тысячелистника (0.64), бобовых (0.56), а также толщине дёрна (0.50).

Таким образом, ниши изученных видов сусликов хорошо дифференцированы по биотопическим факторам, определяющим обилие кормовых ресурсов и безопасность (качество обзора). Ресурсная составляющая местообитаний, прежде всего, связана с обилием злаков и разнотравья. При этом качественную ее сторону отражает градиентный вектор ксерофитизации растительных сообществ. Безопасность биотопа связана с качеством обзора, который определяется показателями проективного покрытия растительности и обилием высокостебельных ее элементов (тысячелистник, степное разнотравье).

Биотопические особенности смешанных и гибридных поселений как условие устойчивой симбиотопии и пространственной интеграции видов

Образование смешанных и гибридных поселений различных по экологическим требованиям видов свидетельствует об особых условиях местообитания, в котором они формируются. Гомогенность биотопа в отношении биотопических предпочтений контактирующих видов и отсутствие «разборчивости» в местообитаниях у особей, хотя бы одного из контактирующих видов, должны способствовать симбиотопии (Панов, 1989). Кроме этого, особое место в биотопической интеграции симпатрических видов занимают антропогенные трансформированные ландшафты. Являясь субоптимальными местообитаниями или стациями расселения, они могут стать единственным в зоне симпатрии местом формирования контактных поселений.

Гибридная зона S. major и S. suslicus. Обнаружены все три по степени биотопической сегрегации симпатрических видов варианта поселений: 1) стациальное разобщение видов со спорадической гибридизацией («Смышляевка»); 2) микростациальное разобщение видов в условиях конкуренции за пространство со случайной гибридизацией в моменты депрессии численности; 3) равномерное распределение гетероспецификов без разобщения вследствие гомогенности биотопа в отношении биотопических предпочтений контактирующих видов с масштабной интрогрессивной гибридизацией.

Гибридная зона S. major и S. fulvus. Обнаруженное единственное гибридное поселения было приурочено к биотопу, граничащему с основными путями расселения S. major (полосы отвода автомобильных дорог) и имеющим антропогенное происхождение (свалка, заброшенные ферма и с/х угодья - бахчи).

Гибридная зона S.major и S.pygmaeus. Яркой чертой поселений в этой зоне является устойчивое стациальное разобщение контактирующих видов, вызванное особенностями структуры биотопов - чередование степных и мезофитных участок.

Гибридная зона S. suslicus и S.pygmaeus. Существовала в правобережном Поволжье в 60-е годы прошлого века (Денисов, 1961).Исследования современного состояния зоны, проведенные в 90-е годах, показали, что ареалы этих видов сусликов в настоящее время не перекрываются (Титов, 2001; Быстракова и др., 2005). Анализ биотопических условий сохранившихся поселений видов и некоторых локалитетов былого обитания не выявил специфических их особенностей. Можно утверждать, что эти морфологически близкие виды сусликов сходны по своим биотопическим предпочтениям, а наблюдавшаяся между ними поглотительная гибридизация (в сторону S. pygmaeus) была связана с жёсткой конкуренцией за ресурсы (Денисов, 1963). Таким образом, проведенный анализ биотопических приуроченности четырёх гибридизирующих видов сусликов выявил многообразие вариантов биотопической структурированности их контактных поселений.

Дискриминантный анализ средовых показателей видовых биотопических ниш и гибридного поселения большого и жёлтого сусликов выявил уникальность его условий (рис. 3 А). По первой дискриминантной функции (DF 1, 87%), описывающей рудеральность и ксерофитность растительности, а именно уменьшение обилия степного разнотравья (-0.49), тысячелистника (-0.50), толщины дёрна (-0.56), увеличение обилия типчака (0.35), наблюдается расхождение эллипса биотопических показателей гибридного поселения и эллипсов видовых ниш. В целом условия гибридного поселения являются предельными, т.е. располагаются на краю биотопических ниш S. major и S. fulvus. В результате биотоп гибридного поселения выступает для гибридизирующих видов в роли однородной (гомогенной), в одинаковой степени пригодной (точнее, одинаково малопригодной) для контактирующих видов среды. В нём наблюдалось равномерное относительно друг друга биотопическое распределение гетероспецификов.

Дискриминантный анализ показателей контактных поселений большого и крапчатого сусликов (рис. 3 Б) подтвердил достоверность различий биотопических условий смешанных и гибридных поселений. По первой дискриминантной функции (DF 1, 73%) наблюдается расхождение только эллипсов рассеивания параметров видовых биотопических ниш по градиентам увеличения обилие мезофитных злаков (0.66) и уменьшения ксерофитных элементов растительности (типчак, -0.80). Вторая дискриминантная функция (25%) разделяет эллипсы биотопических показателей смешанного (без гибридизации) и гибридного поселения. При этом максимальная факторная нагрузка по оси этой функции отмечается для показателей обилия тысячелистника (0.40), проективного покрытия (0.36) и толщины дёрна (-0.50), а сами эллипсы располагаются друг против друга относительно нулевой линии этой функции. Отметим, что по размерам эллипсов биотопических показателей контактных поселений видно, что в гибридном поселении симпатрические виды занимают достаточно узкую биотопическую нишу. Для смешанного поселения, где отмечалось устойчивое микростациальное разобщение видов, биотопическая ниша, используемая сусликами значительно шире.

Рис. 3. Расположение эллипсов биотопических показателей контактный поселений большого и жёлтого (А), большого и крапчатого (Б) сусликов относительно эллипсов биотопических ниш видов. 1 - биотопическая ниша S. suslicus, 2 - тоже S. major, 3 - тоже S. fulvus, 4 - центроиды, 5 - эллипсы биотопических условий контактных поселений, Ус - гибридное поселение S. major и S. fulvus, Кл - смешанное поселение S. major и S. suslicus с микростациальным разобщением, Ц - гибридное поселение S. major и S. suslicus (результаты дискриминантного анализа)

Пространственно-временная роль биотопа в процессе межвидовой гибридизации

Результаты исследований биотопических особенностей видовых и контактных поселений сусликов позволяют выявить пространственно-временную роль биотопа в процессе межвидовой гибридизации. Формирование устойчивых смешанных поселений различных по экологическим требованиям видов свидетельствует об особых условиях местообитания. Существуют две предельные ситуации: 1) биотоп, в котором формируется смешанное поселение, является в отношении биотопических предпочтений симпатрических видов гомогенным и 2) биотоп гетерогенен. В первом случае вследствие равнозначности условий местообитания для видов мы можем ожидать равномерное относительно друг друга пространственное распределение гетероспецификов. Во втором случае вполне ожидаемой будет устойчивая пространственная изоляция симпатрических видов. Обе эти ситуации биотопических отношений симпатрических видов мы обнаружили в зонах симпатрии изученных видов сусликов.

Биотопические предпочтения большого и малого сусликов хорошо различаются, что связано, прежде всего, со стенобионтностью последнего вида. Именно по этой причине совместное обитание этих видов характеризовалось устойчивым разобщением по стациям, а гибридизация имеет спорадический характер. Различия биотопических предпочтений малого и крапчатого суслика, напротив, незначительны. Былая узкая зона контакта этих видов (парапатрия), характеризовалась жёсткой конкуренцией за ресурсы. В изученном гибридном поселении была отмечена поглотительная гибридизация в сторону расселяющегося малого суслика (Денисов, 1963). В гибридной зоне крапчатого и большого сусликов мы обнаружили все три по степени биотопической разобщенности видов варианта поселений: 1) совместные поселения с редкой случайной гибридизацией, характеризующиеся, вследствие выраженной стациальной гетерогенности биотопа, пространственной изоляцией симпатрических видов; 2) смешанные поселения со спорадической случайной гибридизацией, характеризующиеся микростациальным разобщением симпатрических видов и 3) гибридные поселения, расположенные в гомогенных биотопах, с интрогрессивной гибридизацией. Это связано в первую очередь значительным разнообразием биотопов, в которых могут формироваться контактные поселения (лесостепная зона), а также с эврибиотностью большого суслика, вида активно расширяющего свой ареал. В сравнении с описанной выше ситуацией, биотопические предпочтения большого и жёлтого сусликов практически не различаются, но вследствие сильной мозаичности распределения специфических для видов биотопов (опустыненные степи на тяжелых суглинках и участки гемипсаммофитной степи, соответственно), в пределах гибридной зоны трудно найти подходящие для формирования контактных поселений этих видов местообитания. Поэтому обнаруженное гибридное поселение S. major и S. fulvus приурочено к антропогенному трансформированному богатому рудеральной растительностью биотопу, который гомогенен для обоих гибридизирующих видов.