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

Биоакустическая характеристика гибридов большого и жёлтого сусликов. Крики S. major и S. fulvus хорошо распознаются на слух в полевых условиях, а частотные и временные параметры сигналов достоверно (p<0.001) различаются. По ритмической организации сигналы значительной части гибридных особей (16 из 43, 37%) были представлены только одиночными (характерно для большого суслика) криками, промежуточными по своим частотным и временным характеристикам относительно родительских форм. Сигналы остальных зверьков (63%, n = 27), кроме таких промежуточных криков, включали как одиночные (30%, n = 13), так и серии из двух (19%, n = 8), трех (9%, n = 4) или четырех и более криков жёлтого суслика (5%, n = 2). Одиночные сигналы гибридов достоверно отличаются по 4 из 5 частотно-временным показателям (кроме конечной частоты, p=0.124) от сигналов большого суслика и по всем пяти - от сигналов жёлтого суслика (p<0.001). Такие же различия были получены и для первых сигналов в серийных криках у гибридов. Однако последующие крики в серии не отличаются от криков жёлтого суслика. В то же время, показатели максимальной и конечной частот и размах частотной модуляции звукового сигнала гибридов достоверно (p<0.0001) выше показателей родительских видов, т.е. уклоняются от промежуточного положения. Как показывают наблюдения, гибридные особи одинаково успешно владели и использовали сигнализацию родительских видов. Эти факты, на наш взгляд, указывают на особенный характер наследования этого признака или возможность научения сигнализации.

Для получения более подробной биоакустической характеристики сигналов гибридов большого (m) и желтого (f) сусликов был проведен дискриминантный анализ. Были проанализированы 6 категорий особей: большие суслики, жёлтые суслики, и 4 группы гибридов (рис. 9). По результатам анализа видно, что выборка гибридов гетерозиготные по двум признакам (m/f, m/f) занимают промежуточное положение между областями рассеивания показателей криков родительских видов. Беккроссы (m/f, m/m; m/f, f/f; m/m, m/f; f/f, m/f) уклоняются в стороны того родительского вида, от скрещивания с которым были получены. Несколько обособлено располагается группа гибридов с мозаичным характером наследования генов родительских видов (m/m, f/f). Крики этих особей максимально отличаются от сигналов жёлтых сусликов ( p<0.04) и от сигналов беккроссов (p<0.01, кроме глубины частотной модуляции, p>0.18). Наименьшие различия для криков таких гибридов выявлены в отношении сигналов больших сусликов (по начальной и максимальной частотам, p<0.005). Проведенный кластерный анализ значений координат центроидов эллипсов рассеивания анализируемых групп выявил что, максимальную дистанцию различий имеет выборка гибридов с мозаичным характером наследования (m/m, f/f), которая и является внешней группой для двух достаточно обособленных кластеров: больших сусликов с гибридами и беккроссами и жёлтых сусликов с беккроссами. В целом, полученные результаты, вероятно, указывают на детерминированный характер наследования гибридами видоспецифических признаков родительских форм.

Рис. 9. Результаты анализа показателей звуковых сигналов особей из гибридного поселения большого и жёлтого сусликов (с. Усатово, Краснокутский р-н, Саратовская обл.). А - расположение центроидов эллипсов рассеивания в пространстве двух первых дискриминантных функций, Б - кластерный анализ выборок сравнения, использованных в дискриминантном анализе. h^m/f ? межвидовые гибриды -гетерозиготы (p53-m/f, Шp53-m/f), h^m - беккроссы с S. major (m/m, m/f), h^m-f - гибриды с мозаичным характером наследования (m/m, f/f), m ? большие суслики, f - жёлтые суслики, h^f - беккроссы с S. fulvus (m/f, f/f)

Биоакустическая характеристика гибридов большого и крапчатого сусликов. Звуковые сигналы обоих видов представлены одиночными криками разной длительности (до 500 мс у большого и 200 - 400 мс у крапчатого сусликов), хорошо распознаются на слух в полевых условиях и достоверно различаются по временным и частотным показателям (p<0.001). Звуковые сигналы гибридных особей (поселение «Смышляевка» - n = 38, поселение «Цивильск» - n=569) также представлены одиночными криками, имеющими изменчивую структуру. В целом сигналы гибридов являются промежуточными по отношению к сигналам родительских видов. По всем частотным и временным показателям крики гибридных зверьков достоверно отличаются от криков S.major и S.suslicus (р<0.05), при этом средние значения частотных параметров сигналов гибридов отклоняются в сторону большого суслика, а сами крики в целом короче, чем у родительских видов. Проведенный дискриминантный анализ выборок видов и гибридов выявил те же особенности, что и при анализе гибридного поселения большого и жёлтого сусликов «Усатово».

Для гибридов малого и крапчатого (Никольский и др., 1984), а также малого и большого (Ермаков, 1996; Ермаков, Титов, 2007) сусликов были получены аналогичные результаты. Гибриды имели промежуточный по показателям звуковой сигнал. Однако, в первом случае, не смотря на то, что анализируемые гибриды были первого поколения, получены в экспериментальных условиях, наблюдалось некоторое смещение показателей промежуточного гибридного крика в сторону малого суслика.

Таким образом, анализ акустических сигналов гибридов сусликов выявил промежуточный механизм наследования биоакустических признаков родительский видов. При этом в случаях возвратных скрещиваний, полученные гибриды уклоняются в сторону того родительского вида, с которым происходили повторные скрещивания. В результате этого в популяции дивергентный разрыв между биоакустическими системами симпатрических видов становится градиентным, а в гибридной популяции формируется совершенно новое биоакустическое поле, в котором объединяются все категории особей. Кроме этого, выявленный факт уклонения параметров звуковых сигналов гибридных особей с мозаичным характером наследования как от параметров криков родительских видов, так и параметров криков других групп гибридных особей указывает на возможность новообразований в результате межвидового скрещивания и показывает возможное эволюционное значение гибридизации.

Роль индивидуальных особенностей особи в процессе межвидовой гибридизации

Так как случайная гибридизация есть результат однократного взаимодействия гетероспецифических особей, а масштабная гибридизация ? совокупность таких одномоментных актов, то индивидуальные особенности особи в сингенезе близкородственных видов могут иметь определенное значение. В процессе межвидовой гибридизации имеется ряд ситуаций, когда индивидуальные качества и свойства, а также особенности поведения особи имеют определенное значение. Среди них выделим только три нами зафиксированных:

1) Повышенная поведенческая активность особи, уклоняющаяся от стереотипной и специфической активности симпатрических видов. Здесь необходимо упомянуть о несоответствующих видовой норме формах поведения особи в жёстко регламентированный популяционный период. Например, в гибридном поселении S. major и S. fulvus нами были отмечены активные перемещения эструсных самок в поиске полового партнера, что повышает вероятность гетероспецифических контактов.

2) Хронографическое запаздывание в проявлении поведенческой активности особи, связанное с особенностями физиологического состояния или активности. Например, в совместном поселении S. major и S. suslicus «Смышляевка» молодые большие суслики, как правило, отселялись в субоптимальные местообитания, которые для S. suslicus, напротив, являются типичными. На таких участках совместного поселения неоднократно отмечались гетероспецифические контакты, связанные с синхронным пробуждением от зимней спячки молодых самцов S. major и взрослых самок S. suslicus. На существование такой ситуации указывают отловы (n = 4) гибридных особей именно на этих участках.

3) Ошибки в опознавании конспецифичного полового партнера. Такого рода ошибки определяются самими особенностями прохождения периода размножения у сусликов, животных с чрезвычайно коротким и насыщенным периодом активности. Сжатые сроки репродукции заставляют самцов проявлять повышенную активность в поиске половых партнеров. Такая активность неизбежно связана с ошибками в опознаваниях «свой-чужой».

По-видимому, эти примеры специфичны и достаточно сильно зависят от особенностей биологи гибридизирующих видов. Для сусликов, по нашему мнению, главным из них является сжатые сроки наземной активности, в которых на определение видового статуса особи остается очень малый запас времени.

Глава 7. Генетическая структура гибридных популяций млекопитающих как фактор их устойчивости и жизнеспособности

Генетическая структура гибридных поселений связанна как с историей их образования и периодическими изменениями состава, происходящими вследствие вселения или убыли особей родительских видов, так и с ассортативностью контактов кон- и гетероспецифических особей.

Популяционная генетическая структура гибридных поселений

На момент начала межвидовой гибридизации генетическая структура смешанных поселений представляет собой простую сумму генетических структур популяций симпатрических видов. В результате гибридизации в смешанной популяции появляются гетерозиготные генотипы (m/f), а с увеличением их числа возникает особая генетическая структура гибридной популяции, которая характеризуется сочетанием двух популяций родительских видов и популяции гибридов. Результаты исследований генетической структуры гибридных и смешанных поселений, отличающихся разными способами формирования и развития, позволило выделить 4 ее типа: 1) Интрогрессивный (гибридное поселение S. major и S. fulvus «Усатово»). Начало межвидовой гибридизации было связано с активным вселением самцов большого суслика в популяцию жёлтого суслика. В результате роста численности гибридного населения и постоянного притока больших сусликов сложилась особая структура гибридной популяции. Её особенностями являлось устойчивое и значительное преобладание гибридных особей и почти полное отсутствие жёлтых сусликов. 2) Балансный (гибридное поселенин S. major и S. suslicus «Цивильск»). Поселение возникло в результате однократного слияния симпатрических популяций. При этом обе родительские популяции характеризовались депрессивной численностью. В дальнейшем, по мере роста гибридного населения складывалась своеобразная генетическая структура поселения, характеризующаяся изменчивым соотношением особей большого и крапчатого сусликов, а также их гибридов. 3) Смешанный (гибридное поселение S. suslicus и S. pygmaeus «Александровка»). В результате интрогрессивной (точнее поглотительной - «extinction by hybridization», Rhymer, Simberloff, 1996) гибридизации (Денисов, 1961) генетическая структура популяции за очень короткий срок прошла балансную стадию и приобрела черты интрогрессивного типа. 4) Спорадический (совместное поселение крапчатого и большого суслика «Смышляевка»). Такая генетическая структура характерна для поселений со спорадической гибридизацией. Она формировалась случайно и в результате возвратных скрещиваний существовала очень короткое время.

Гибридное население одновременно является как результатом происходящей гибридизации, так и возвратных скрещиваний. Поэтому оно представляет собой неоднородную совокупность разных по генетическим характеристикам особей: 1) гетерозиготы (a/b, a/b) (предположительно гибриды F1), 2) беккроссы (a/b, a/a) с симпатрическим видом А, 3) беккроссы (a/b, b/b) с симпатрическим видом Б и 4) гибриды с мозаичным наследованием признаков родительских видов (a/a, b/b).

Гибридное поселение большого и жёлтого сусликов «Усатово» характеризовалось низкой долей гибридов-гетерозигот (29%) и высокими долями беккроссов (с S. major - 39%, с S. fulvus - 26%), что косвенно указывает на панмиксичность гибридной популяции. Преобладание беккроссов с большими сусликами свидетельствует о миграционном типе формирования этого поселения и указывает на итрогрессию в сторону S. major. Иные данные были получены по гибридному поселению большого и крапчатого суслика «Цивильск». В нем отмечалась высокая доля гибридных особей гетерозигот (49%) и почти равные доли беккроссов (с S. major - 20%, с S. suslicus - 39%). Эти данные свидетельствует о формировании гибридного поселения в результате слияния симпатрических популяций родительских видов и о флуктуирующей интрогрессии в сторону то одного, то другого родительского вида. Гибриды с мозаичным характером наследования генетических признаков родительских видов в проанализированных поселениях редки («Усатово» - 5%, «Цивильск» - 9%) и, на наш взгляд, имеют особый генетический статус. По сути, они представляют собой генетические новообразования, характеризующиеся сочетанием разных признаков родительских видов. Подчеркнем, что именно мозаичное сочетание, а не промежуточное наследование, как это отмечалось для гибридов гетерозигот и беккроссов. По нашему мнению, именно такие особи гибридного населения как раз и имеют тот эволюционный потенциал, который так ожидается от гибридизации. При условии их изоляции и панмиксичного существования представляется реальным гибридогенное видообразование у млекопитающих. Именно у таких особей нами были отмечены особые морфо-фенотипические признаки, которые в теории вполне могут стать рабочим материалом для дивергентной эволюции.

Динамика генетической структуры гибридных популяций: соотношение материнских (мтДНК) и отцовских (Y-хромосома) линий, гетерозиготность

Генетическая структура гибридных поселений характеризуется значительной изменчивостью. Такая изменчивость связана с действием следующих факторов: 1) характером внутренних демографических процессов в элементарных популяциях (конспецифические взаимодействия), 2) масштабом и периодичностью иммиграций одного (или обоих) симпатрических видов, 3) ассортативностью скрещиваний, в том числе и гетероспецифическими.

Рис. 10. Изменения частоты специфических для большого суслика митотипов (1) и Y-хромосомы (2) в гибридном поселении большого и жёлтого сусликов «Усатов» (А) и в гибридном поселении большого и крапчатого сусликов «Цивильск»(Б)

Одним из важнейших показателей генетической структуры гибридных популяций является соотношение материнских и отцовских линий. Исследования материнских (мтДНК, С-регион) и отцовских линий (интрон 8 гена SmcY, Y-хромосома) в гибридном поселении большого и жёлтого сусликов «Усатово» выявили связь изменений генетической структуры популяции с силой миграционной активности большого суслика (рис. 10). В поселение отмечалось увеличение доли особей, несущих специфические для большого суслика митотипы ДНК (B1, B2, C1), и быстрое накопление Y-хромосомы S. major. В гибридном поселении большого и крапчатого сусликов «Цивильск» были обнаружены только по одному видоспецифическому митотипу (А и D1), что подтверждает однократность вселения большого суслика в поселение аборигенного S. suslicus и его устойчивую изоляцию. Поселение отличалось увеличением долей специфических для S. major генетических маркеров и имеет ряд особенностей: 1) начальное преобладание митотипов крапчатого суслика (аборигенный статус S. suslicus); 2) постепенное увеличение доли митотипов S. major (преимущественное размножение самок, несущих этот тип митохондриальной ДНК); 3) постепенное увеличение доли специфических для большого суслика Y-хромосом.

Не менее важным является показатель уровня гетерозиготности гибридных поселений. В идеале соотношение гомо- и гетерозиготных генотипов должно изменяться в соответствии с законом Харди-Вайнберга, что является признаком стабилизации популяционной структуры. Выявление фактов несоответствия этому закону свидетельствует о действии на автономные внутрипопуляционные генетические процессы факторов, связанных с неравновесной динамикой численности особей родительских видов, миграционными процессами или ассортативностью скрещивания, пониженной фертильностью или низкой выживаемостью гетерозигот. Анализ динамики уровня гетерозиготности гибридной популяций S. major и S. fulvus «Усатово» (6 интрон гена р53) выявил устойчивый его рост на начальных этапах гибридизации (рис. 11). В поселении, вследствие периодического вселения особей большого суслика, наблюдаются связанные с ним заметные колебания значений гетерозиготности (2003, 2005, 2007 гг.). Несмотря на это, процесс формирования устойчивой генетической структуры заканчивается на 4-5 год. К этому моменту, вероятно, действие барьерных факторов ослабевает, что выражается в выравнивании значений ожидаемой и наблюдаемой гетерозиготности популяции, а сама генетическая структура эффективно поддерживается автономными генетическими механизмами в соответствии с законом Харди-Вайнберга. Анализ динамики уровня гетерозиготности гибридной популяций S. major и S. suslicus «Цивильск» привел нас к аналогичным результатам. Процесс формирования гибридного поселения «Цивильск» характеризуется высокой частотой скрещивания особей родительских видов, что выражается в превышении значений наблюдаемой над значениями ожидаемой гетерозиготности. Результатом однократного вселения S. major в популяцию аборигенного S. suslicus, вероятно, является плавное изменение уровня гетерозиготности в этом поселении по сравнению с гибридным поселением большого и жёлтого суслика.

Рис. 11. Уровень наблюдаемой, Н_о (1) и ожидаемой, Н_е (2) гетерозиготности по 6 интрону гена р53 в гибридном поселении большого и жёлтого сусликов (А) и в гибридном поселении большого и крапчатого сусликов «Цивильск»(Б)

Проведенный анализ уровня гетерозиготности гибридного поселения крапчатого и малого сусликов «Александровка» (сборы В.П. Денисова) показал, что это поселение на момент его изучения находилось в стабильном состоянии. Показатели наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготности не различались ни в 1957 г. (n = 85), ни в 1958 г. (n = 29) (ч² = 0.11-0.41, df = 2, p>0. 813).

Таким образом, исследования динамика генетической структуры гибридных популяций показал, что соотношение материнских (мтДНК) и отцовских (Y-хромосома) линий могут достоверно свидетельствовать как об истории образования гибридных популяций, так и происходящих в них процессах. Сравнение наблюдаемых и ожидаемых значений уровня гетерозиготности позволяет определить момент стабилизации гибридных популяций и предсказать их дальнейшую судьбу.

Родственные отношения в гибридных популяциях: репродуктивный успех, множественное отцовство и ассортативность спариваний

Успех размножения является важным показателем, как приспособленности особи, так и устойчивости и жизнеспособности популяции в целом. В гибридном поселении большого и жёлтого сусликов «Усатово» большая часть размножающихся самок участвовала в многосамцовых спариваниях (56%, n = 16). В 67% таких случаев самцов было 2, в 22% случаев 3 самца и в одном случае (11%) - 4. В этом случае следует ожидать множественного отцовства в выводках. Действительно, доля гетероспермных выводков достаточно высока и составляла в среднем за 4 года (2004, 2006-2008 гг.) наблюдений 37.3±9.8 (%). Как показывают результаты анализа микросателлитной ДНК, 69.6±10.1 (%) детенышей в выводках (n = 5) принадлежали одному из самцов. Аналогичные результаты были получены для тринадцатиполосного суслика - до 75% детенышей в выводке (Schwagmeyer, Parker, 1990). В целом, множественное отцовство в этом поселении являлось довольно распространенным явлением (в 7 из 16 выводков, 44%). По нашему мнению, спаривания самки со многими самцами ведут к увеличению генетического разнообразия в депрессивной популяции и могут временно стабилизировать ее генетическую структуру, способствуя устойчивому существованию.

Анализ репродуктивного успеха отдельных особей в гибридном поселении большого и жёлтого суслика показал, что в популяции присутствовали особи, которые отличались бульшей репродуктивной активностью и успешностью размножения . Максимальный репродуктивный успех, как у самок, так и у самцов, был отмечен в годы с наименьшей плотностью зверьков в поселении. Так, в 2004 г. 5 размножавшихся особей (3 самки и 2 самца, 7%) дали 26% прибылых зверьков за все годы наблюдений. Кроме этого, все особи, у которых был отмечен максимальный репродуктивный успех, являлись гибридами (за исключением самки большого суслика - 14%), что доказывает фертильность гибридных особей обоих полов, вопреки бытующему мнению о стерильности гибридов S. fulvusS. major (Громов, Ербаева, 1995). Однако данные по среднему числу суслят в выводках (2.14 ± 0.28, n = 29, соотношение самок и самцов - 1:1.3) указывают на пониженный репродуктивный потенциал гибридных особей, так как этот показатель достоверно ниже такового для родительских видов: 7 - 14 у S. major (Титов, 2003), 4 - 14 у S. fulvus (Миронов, 1986). При этом выживаемость гибридного потомства оказалась не ниже выживаемости «чистых» детенышей (44% (n=32) и 29% (n=7), соответственно; ч²=0.55; p>0.1).

Иные данные были получены для контактных поселений большого и крапчатого сусликов. Так, в гибридном поселении большого и крапчатого сусликов «Цивильск» за 2000-08 гг. были зафиксированы 26 выводков. Среднее число молодых, сохранившихся на момент расселения, составило лишь 1.70.2 особей. Для большей части выводков (81%) был установлен только один генетический отец. Для совместного поселения большого и крапчатого сусликов «Смышляевка», характеризующегося случаями спорадической гибридизации, показатели репродуктивной эффективности соответствуют таковым для гибридного поселения «Усатово» (2.60.4 особей, n = 23). Доля гетероспермных выводков составила лишь 4%.

Для изучения направления межвидовых скрещиваний важным показателем является их ассортативность. Полученные нами данные по гибридному поселению большого и жёлтого сусликов «Усатово» указывают на отсутствие каких-либо предпочтений. Сравнение ожидаемых и наблюдаемых частот спариваний разных по происхождению особей (2004-2008 гг.) не выявило достоверных различий (ч² = 0.27 - 3.51, df = 5, p>0.622). Таким образом по данным генетического анализа репродуктивные отношения сусликов гибридные поселения являются панмиксичными по промискуитетному типу. Они характеризуются отсутствием ассортативности скрещиваний, наличием многосамцовых спариваний самок и выраженным множественным отцовством. Характер размножения и плодовитость особей определяется исключительно популяционными условиями и не имеет никаких конкурентных ограничений.

Оценка интрогрессивных процессов в гибридных популяциях по силе потока генов из родительских популяций

Анализ потока видоспецифических генов (S. major ? M_m, S. fulvus ? M_f) из родительских популяций в гибридную популяцию большого и жёлтого сусликов «Усатово» показал, что бульший вклад наблюдается со стороны популяции вселяющегося вида S. major (рис. 12). В среднем за все годы наблюдений в гибридном поселении интенсивность потока генов S. major (M_m - 0.7) преобладает над таковой S. fulvus (M_f - 0.3), что свидетельствует о прохождении в нем интрогрессивной гибридизации, характеризующейся преобладанием митотипов и генотипов большого суслика. Интенсивность потока генов со стороны одного из гибридизирующих видов в гибридных популяциях напрямую зависит от масштаба его вселения в смешанное поселение (r = 0.986, n = 4, p=0.014). Таким образом, выявленный флуктуирующий в зоне вклада одного из симпатрических видов характер динамики потока специфических родительским видам генов, вероятно, является типичным для гибридных популяций, образующихся в результате вселения одного из симпатрических видов.

Рис. 12. Динамика потока генов (М) из родительских популяций большого (M_m), жёлтого (M_f) и крапчатого (M_s) сусликов в гибридные популяции «Усатово» (А) и «Цивильск» (Б)

Анализ потока видоспецифических генов (M_m, M_s) в гибридном поселении большого и крапчатого сусликов «Цивильск» выявил совершенно иную динамику этого показателя. В начале наблюдений (1998 г.) в момент однократной миграции большого суслика вклад в гибридную популяцию максимален со стороны популяции S. major (M_m) (Титов и др., 2007). В дальнейшем после прекращения вселения больших сусликов этот показатель стремительно падал, что означало увеличение вклада со стороны популяции крапчатого суслика. Впоследствии с увеличением доли S. major в результате депрессии крапчатого суслика вновь наблюдалось повышение величины генного потока со стороны популяции S. major. В среднем за все годы наблюдений в гибридном поселении «Цивильск» интенсивность генного потока S. major (M_m - 0.52) почти равна таковой S. suslicus (M_s - 0.48). Эти данные свидетельствует об отсутствии в поселении устойчивого притока генов одного из родительских видов в гибридную популяцию и сбалансированности его генетической структуры. Таким образом, выявленный постепенный характер падения и увеличения потока специфических родительским видам генов, вероятно, является типичным для гибридных популяций, возникших в результате слияния симпатрических популяций.

Повышение гетерозиготности гибридных популяций как основа их устойчивости

Актуальной проблемой современной популяционной экологии и теории метапопуляций являются исследование генетического разнообразия популяций, особенно мозаичных, направленные на оценку их устойчивости и риска исчезновения (Haymer, 1994; Frankham, 1998; Behergaray et al., 2000; Gibbs, 2001; Garner et al., 2004; Garner, 2004). Известно, что устойчивость популяций связана с уровнем их генетического разнообразия. В условиях смешанного поселения с депрессивной численностью симпатрических видов, имеющих низкий уровень генетическим разнообразием, сам факт межвидового скрещивания ведет к его увеличению и стабилизации популяции.

Микросателлитный анализ выборок больших и жёлтых сусликов из чистых видовых поселений по двум системам IGS-bp (на CAG-повтор) и IGS-bm (на CAA-повтор) выявил богатый полиморфизм этих микросателлитных маркеров (14 и 5 аллелей, соответственно). Вследствие депрессивного состояния популяции аборигенного вида (S. fulvus) и иммиграционного характера формирования популяции второго вида, гибридное поселение характеризовалось низким полиморфизмом микросателлитных локусов у особей родительских видов. Для популяции жёлтого суслика были отмечены только 3 аллели этого генетического маркера - bp4, bp6 и bp7. Все остальные аллели, обнаруженные в гибридном поселении были привнесены вселяющимися большими сусликами - bp1- bp3, bp5, bp8. При скрещивании, полученное гибридное потомство обладало большим генетическим разнообразием и характеризовалось более широким аллельным спектром (7 аллелей), что в конечном итоге определило устойчивость самой гибридной группировки особей и гибридного поселения в целом. Аналогичные результаты были получены и по гибридному поселению большого и крапчатого суслика «Цивильск».

Таким образом, в гибридных поселениях в условиях депрессивного состояния видовых популяций и прекращения действие факторов репродуктивной изоляции с началом межвидовой гибридизации постепенно формируется интегрированная генетическая структура, в последствие стабилизирующаяся во времени. Стабилизация выражается в выравнивании значений наблюдаемой и ожидаемой гетерозиготности. Одной из причин устойчивости гибридных поселений является повышение гетерогенности гибридной популяции, за счет комбинирования в генотипах гибридных особей аллелей родительских видов.

Глава 8. Гибридные поселения млекопитающих: структура и пути развития

Гибридные поселения млекопитающих являются уникальными образованиями и поэтому не так часто встречаются в природе. Они, как показывают наши исследования, представляли собой хорошо интегрированные популяционные системы. Поэтому изучение таких систем представляет как теоретический, так и практический интерес, поскольку на их примере можно выявить основные закономерности образования и существования гибридных зон млекопитающих.

Две модели формирования гибридных поселений: территориальная экспансия и слияние симпатрических популяций

Исследования гибридных зон животных свидетельствуют, что подавляющее большинство совместных поселений возникает в результате освоения видами нового пространства (Панов, 1989; Крюков, 2000). При формировании контактных поселений в результате вселения одного из видов складывается особая популяционная ситуация, развитие которой может пойти по одному из направлений: разобщение симпатрических видов с надежной изоляция и интеграция с последующей межвидовой гибридизацией. Направление развития зависит от исходного состояния популяции аборигенного вида (численность, соотношение полов), а также от масштаба вселения другого вида. Кроме этого, определённую роль играют и особенности биотопических условий поселений. Так, смешанное поселение S. major и S. suslicus «Клин» характеризовалось разобщением и изоляцией симпатрических видов и сформировалось в результате массового и продолжительного вселения особей S. major в локальное поселение S. suslicus. Образовавшаяся пространственная структура смешанного поселения, представляющая собой «наложение» пространственных структур большого и крапчатого сусликов. Гибридное поселение большого и крапчатого сусликов «Цивильск является единственным примером интрогрессивной гибридизации этих видов. Оно образовалось в результате однократного вселения особей S. major в депрессивное поселение S. suslicus (низкая численность, несбалансированный состав полов). По этой причине гибридизация в этом поселении на протяжении всей истории его существования имела масштабный интрогрессивный характер. Совместное поселение большого и крапчатого сусликов «Смышляевка» отличается от описанных выше биотопической разобщённостью видов по растительным стациям. Оно иллюстрирует ещё один вариант формирования смешанных поселений - образование поселения в результате слияния двух разрастающихся локальных видовых популяций. Анализ популяционной ситуации в этом поселении показал, что динамика численности симпатрических видов синхронизирована, наблюдается конкуренция за пространство и вполне вероятно, что в дальнейшем поселение может развиваться по схеме аналогичной поселению «Клин». Гибридное поселение большого и жёлтого сусликов образовалось в результате периодичного вселения расселяющегося большого суслика в депрессивное поселение жёлтого. С ростом гибридного населения и продолжающим вселением больших сусликов (преимущественно самцов) масштаб гибридизации нарастал, и она приобрела интрогрессивный характер в сторону S. major.

Таким образом, смешанные поселения млекопитающих формируются двумя основными путями: в результате вселения одного из симпатрических видов в популяцию другого, и в результате слияния двух соседствующих изолированных популяций симпатрических видов. Определяющими факторами формирования уникальной пространственной структуры смешанных поселений являются состояние популяции одного или обоих видов симпатрических видов, а также масштаб и характер вселения другого симпатрического вида.

Структурные особенности гибридных поселений млекопитающих

Гибридные поселения млекопитающих имеют определенную популяционную структурированность, которая проявляется на пространственном, демографическом, поведенческом и генетическом уровнях. Основой популяционной структуры является, на наш взгляд, полная интеграция разнокачественных по генетическому статусу особей. При этом гибридизация в своем результирующем проявлении выступает в качестве стабилизирующего популяцию механизма. Она постепенно размывает границы между симпатрическими видами за счет образования промежуточных форм. Как показывают наши исследования, особенности структуры гибридных поселений отражали путь его формирования. Для гибридных поселений, возникших в результате вселения в поселение аборигенного вида особей другого симпатрического вида, была характерна диффузная структура с равномерным и постоянно меняющимся распределением разных по генетическому статусу особей. Вероятно, такая структура гибридных поселений определяет однонаправленный интрогрессивный характер происходящей в них гибридизации. Для гибридных поселений, возникших в результате слияния симпатрических популяций, была характерная мозаичная структура с распределением группировок гибридных особей между группировками симпатрических видов. Вероятно, подобная структура гибридных поселений ограничивает скрещивание родительских видов и определяет спорадический характер гибридизации. Однако при условии сильной депрессии численности, когда образование группировок особей затруднена, в поселении может сохранять продолжительная гибридизация с переменчивым вектором интрогрессии.

Полученные данные по структуре гибридных поселений позволяют описать структуру гибридных зон свойственных сусликам (рис. 13). Суслики характеризуются дискретным распределением в пределах ареала. Они образуют компактные изолированные друг от друга поселения. Поэтому основной формой межвидового взаимодействия у них является образование мозаичных зон симпатрии с различным по характеру силе разобщением видов. В результате пространственно-временной перестройки ареалов, чаще всего вызванной миграционной активностью, в пределах существующих зон симпатрии возникают разные по размерам и форме гибридные зоны. В них встречаются поселения 3 категорий: 1) поселения с полным преобладанием гибридов, 2) поселения со спорадической гибридизацией, 3) поселения симпатрических видов. При этом в зоне гибридизации гибридные поселения занимают относительно вектора расселения одного из симпатрических видов центральное место, а по периферии этой зоны расположены поселения со спорадической гибридизацией. Последние бывают двух типов. В первых, находящихся в зоне освоения новых областей обитания у гибридов, вследствие возвратных скрещиваний, отмечается преобладание генов аборигенного вида, тогда как во вторых, расположенных до гибридной популяции (относительно вектора расселения) отмечается преобладание генов расселяющегося вида. Именно такую структуру, например, имеет гибридная зона S. major и S. fulvus.

Рис. 13. Структура гибридной зоны для дискретно распространенных животных (на примере сусликов). А/Б - гибридное поселение, А/Б - поселения с единичными гибридами и преобладание генов аборигенного симпатрического вида Б, А/Б - поселения с единичными гибридами и преобладание генов расселяющегося симпатрического вида А.

При таких структурных особенностях гибридные зоны сусликов по классификации Джигинса и Маллета (Jiggins, Mallett, 2000), разработанной для животных с непрерывным распределением, мы можем признать как бимодальные. Учитывая дискретность распределения сусликов, эту характеристику можно уточнить - бимодальные гибридные зоны экологического типа. Таким образом, для сусликов Евразии характерны три варианта межвидовых отношений, связанных с гибридизацией: 1) зона симпатрии со спорадической гибридизацией (S. major - S. pygmaeus), 2) зона парапатрии с поглотительной гибридизацией (S. major - S. erythrogenys, S. pygmaeus - S. suslicus) и 3) гибридная зона экологического типа с интрогрессивной и спорадической гибридизацией (S. major - S. suslicus, S. major - S. fulvus).

Заключение

Приводится подробный сравнительный анализ полученных результатов исследования четырех гибридных зон, а также трёх гибридных и двух смешанных поселений сусликов. Выявленные закономерности межвидовой гибридизации млекопитающих связаны, в первую очередь, с нестабильным состоянием их симпатрических популяций. Вступление видов в процесс межвидовой гибридизации является в какой-то мере вынужденным и направлено на сохранение этих популяций. Образование смешанных поселений является первым шагом на пути интеграции видов в условиях симбиотопии. Дальнейшее развитие событий зависит от комплекса факторов, среди которых наиболее важными являются иммиграция особей одного из симпатрических видов, пространственная структура поселений, динамическая демографическая ситуация, насыщенность социальной среды, морфо-фенотипическая и поведенческая совместимость. Устойчивость гибридных поселений определяется долговременным их депрессивным состоянием и повышением уровня разнородности за счет панмиксичного скрещивания разных по генетическому статусу особей. Судьба гибридогенных поселений зависит от времени сохранения установившейся в них популяционной ситуации. При продолжающейся депрессии численности такие поселения исчезают, при усилении миграционной активности одного из симпатрических видов в результате интроградации перерождаются в видовые поселения со следами интрогрессии. Несмотря на это, гибридные популяции млекопитающих, несомненно, имеют богатый для видообразования эволюционный потенциал, прежде всего за счет особей с мозаичным характером наследования признаков родительских видов.

Выводы

1. Анализ изолирующих и способствующих гибридизации популяционных факторов выявил отсутствие принципиальных различий между ними. Решающее значение в инициации межвидовой гибридизации имеет состояние симпатрических популяций, а сами факторы в зависимости от этого могут выступать как в качестве изолирующих, так и способствующих гибридизации.

2. Свойства биотопа определяют степень сегрегации симпатрических видов в контактных поселениях. При этом гетерогенность его условий относительно биотопических требований симпатрических видов способствует долговременному и устойчивому их разобщению и редким случаям спорадической гибридизации. Гомогенный по условиям биотоп определяет масштабную межвидовую гибридизацию и быстрое увеличение доли гибридов в поселении.

3. Гибридным особям свойственен промежуточный характер наследования морфологических, фенотипических и биоакустических признаков. В некоторых случаях возвратных скрещиваний у гибридов отмечается эффект суммирования признаков, проявляющийся в их усилении. Совокупность морфо-фенотипических признаков гибридов разных поколений нарушает хиатус между видовыми опознавательными образами «свой-чужой», что способствует большей интеграции особей в гибридной популяции.

4. Дефектный характер пространственной, социальной и демографической структуры смешанных и гибридных поселений млекопитающих, проявляющийся в нестабильности и разнонаправленной динамике пространственного распределения особей родительских видов на фоне устойчивой половой депривации, является фактором, способствующим гибридизации. При оптимальных популяционных условиях в смешанных поселениях между видами разворачивается конкурентная борьба за ресурсы, которая приводит к формированию изолированных друг от друга видоспецифических популяционных структур.

5. Видовые особенности репродуктивного поведения при оптимальных популяционных условиях являются надежным фактором изоляции видов. В смешанных и гибридных поселениях, характеризующихся дефектной пространственной структурой и депрессией численности, контакт разнополых особей затруднен, требования к выбору партнера снижаются, а в популяции реализуется факультативный варианты репродуктивной стратегии - промискуитет, не исключающий гетероспецифические половые контакты.

6. В смешанных поселениях млекопитающих при оптимальной популяционной ситуации комплекс видоспецифического поведения эффективно действует только на внутривидовом уровне, межвидовая конкуренция минимизирована, а в поселениях отмечается устойчивое разобщение видов. При изменении популяционной ситуации (перенаселении или депрессии численности) внутривидовые формы поведенческой активности переносятся на межвидовой уровень, что приводит к повышению социальной интеграции симпатрических видов.

7. Особенностью генетической структуры гибридных поселений млекопитающих является неравновесная динамика частотного распределения генов родительских видов. Продолжительная иммиграция особей одного из симпатрических видов определяет однонаправленный характер интрогрессии, а нестабильный уровень гетерозиготности, характерный для начальных этапов формирования гибридного поселения, в результате увеличения доли гибридных особей приближается к состоянию панмиксичной популяции. Основными механизмами повышения генетической разнообразия в гибридогенных популяциях являются панмиксичные репродуктивные отношения, отсутствие ассортативности скрещиваний, а также многосамцовые спаривания, ведущие к множественному отцовству и бульшей гетерогенности потомства.

8. Выявлены две схемы образования смешанных поселений млекопитающих с дискретным распределением в пределах ареала: вселение одного из симпатрических видов в поселение другого или слияние симпатрических популяций. В соответствие с этими схемами формируются диффузные с интрогрессивной гибридизацией или мозаичные с биотопической разобщенностью видов и спорадической гибридизацией смешанные поселения. Вследствие такой структурированности контактных поселений и дискретности распространения сусликов в границах ареала их гибридные зоны можно охарактеризовать как мозаичные бимодальные гибридные зоны, организованные по экологическому типу.

Благодарности

Выполнение настоящей работы было бы невозможным, если бы в основе её не лежали усилия большого числа людей. Прежде всего, я благодарен своему первому учителю Виктору Порфирьевичу Денисову, который на начальных этапах не только руководил моей работой, но и повлиял на разработку тематики будущих исследований, чей энтузиазм вдохновлял на научный поиск. Я благодарен всем своим аспирантам и студентам - А.А. Шмырову, Ан.А. Кузьмину, Ал.А. Кузьмину и другим, кто в течение многих лет помогал собирать материал и делил со мной радости и трудности полевой работы, спасибо им за помощь и удовольствие делиться опытом. Спасибо всему коллективу кафедры зоологии и экологии ПГПУ за поддержку, помощь и терпение. Особенно я благодарен О.А. Ермакову, Н.В. Быстраковой, Д.Г. Смирнову за совместные многолетние исследования, которые внесли существенный вклад в работу. Я искренне признателен С.А. Шиловой и всем сотрудникам и аспирантам лаборатории популяционной экологии ИПЭЭ РАН, особенно А.В. Чабовскому, Л.Е. Савинецкой, В.В. Неронову, С.В. Павловой, В.С. Попову, Н.М. Васильевой, за их неизменно доброжелательный интерес при обсуждении разделов работы, советы и приятное общение. Спасибо Н.А. Формозову и В.Л. Сурину за постоянную поддержку, неоценимую помощь и методическое сопровождение при проведении молекулярно-генетических исследований, а также за радость совместных исследований и дружеское общение. Я благодарен С.А.Ананичеву, Г.А. Ананичевой, С.А. Боченкову и Т.А. Боченковой за неоценимую и так необходимую помощь в проведении полевых исследований. Спасибо моей семье, родным и близким, принявшим мой выбор и вдохновлявшим меня к работе, за постоянную помощь и поддержку. Спасибо РФФИ, который поддерживал исследования на протяжении многих лет (проекты 03-04-48814а, 05-04-52116э_б, 06-04-48957а, 06-04-63035к, 06-04-03013б, 07-04-05006б, 08-04-05045б, 08-04-01813э_б).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Титов С.В., 2000. Биотопические предпочтения большого (Spermophilus major Pall.) и крапчатого (S. suslicus Gьld.) сусликов в недавно возникшей зоне симпатрии // Зоол. журн. Т. 79. № 1. С. 64-72.

2. Ермаков О.А., Титов С.В., 2000. Динамика границы ареала большого суслика Spermophilus major (Rodentia, Sciuridea) в Поволжье // Зоол. журн. Т. 79. № 4. С. С. 503-509.

3. Титов С.В., 2001. Современное распространение и изменение численности крапчатого суслика в восточной части ареала // Зоол. журн. Т. 80. № 2. С. 230-235.

4. Титов С.В., 2001. Пространственная структура поселений большого и крапчатого сусликов в Поволжье // Зоол. журн. Т. 80. № 6. С. 731-742.

5. Ермаков О.А., Сурин В.Л., Титов С.В., Тагиев А.Ф., Лукьяненко А.В., Формозов Н.А., 2002. Изучение гибридизации четырех видов сусликов (Spermophilus: Rodentia, Sciuridae) молекулярно-генетическими методами // Генетика, Т. 38, № 7, С. 950-964.

6. Титов С.В., 2003. Дисперсия молодых в поселениях большого и крапчатого сусликов // Экология. №4. С.289-295.

7. Титов С.В., 2003. Особенности репродуктивного поведения крапчатого суслика (Spermophilus suslicus, Rodentia, Sciuridae) в Поволжье // Зоол. журн. Т. 82. № 11. С. 1381-1392.

8. Рыбакова Н., Майснер Б., Лукьянов С.Б., Ермаков О.А., Титов С.В., 2003. Малая пищуха (Ochotona pusilla pusilla Pallas, 1759) как индикатор современного состояния экосистем степного Заволжья // Поволжский экологический журнал. Вып. 3. С. 239-250.

9. Рыбакова Н., Майснер Б., Лукьянов С.Б., Ермаков О.А., Титов С.В., 2004. Современное состояние экосистем степного Заволжья // Поволжский экологический журнал. Вып. 1. С. 79-86.

10. Титов С.В., 2004. Репродуктивное поведение большого суслика, Spermophilus major (Rodentia, Sciuridae) // Зоологический журнал. Т. 83. № 9. С. 1148-1159.

11. Титов С.В., Ермаков О.А., Сурин В.Л., Формозов Н.А., Касаткин М.В., Шилова С.А., Шмыров А.А., 2005. Молекулярно-генетическая и биоакустическая диагностика больших (Spermophilus major Pallas, 1778) и желтых (S. fulvus Lichtenstein, 1823) сусликов из совместного поселения // Бюлл. Моск. о-ва испытателей природы. Отд. Биол. Т. 110. Вып. 4. С. 72-77.

12. Быстракова Н.В., Ермаков О.А., Титов С.В., 2005. Хромосомный маршрут на Среднем Дону // Информационный вестник ВОГиС (Всероссийского общества генетиков и селекционеров). Т. 9. № 1. С. 67-69.

13. Ермаков О.А., Сурин В.Л., Титов С.В., Зборовский С.С., Формозов Н.А., 2006. Поиск видоспецифических маркеров в Y-хромосоме и их использование при изучении гибридизации сусликов (Spermophilus: Rodentia, Sciuridae) // Генетика. Т. 42. № 4. С. 429-438.

14. Ермаков О.А., Титов С.В., Савинецкий А.Б., Сурин В.Л., Зборовский С.С., Ляпунова Е.А., Брандлер О.В., Формозов Н.А., 2006. Молекулярно-генетические и палеоэкологические аргументы в пользу конспецифичности малого (Spermophilus pygmaeus) и горного (Spermophilus musicus) сусликов // Зоол. журн. Т. 85, № 12, С. 1474-1483.

15. Беляченко А.В., Шляхтин Г.В., Опарин М.Л., Ильин В.Ю., Завьялов Е.В., Быстракова Н.В., Ермаков О.А., Лукьянов С.Б., Смирнов Д.Г., Семихатова С.Н., Филипьечев А.О., Сонин К.А, Титов С.В., 2006. Редкие и исчезающие виды млекопитающих, рекомендуемые к внесению во второе издание Красной книги Саратовской области // Поволжский экологический журнал. Вып. спец. С. 99-107.

16. Ермаков О.А., Титов С.В., Сурин В.Л., Формозов Н.А., 2006. Молекулярно-генетический анализ материнских и отцовских линий при гибридизации сусликов (Spermophilus: Rodentia, Sciuridae) // Бюлл. Московского об-ва испытателей природы. Отдел биол. Т. 111. Вып. 5. С. 30-35.

17. Кузьмин А.А., Титов С.В., 2006. Особенности формирования смешанных поселений большого (Spermophilus major Pall.) и крапчатого (S. suslicus Gьld.) сусликов // Бюлл. Московского об-ва испытателей природы. Отдел биол. Т. 111. Вып. 5. С. 41-43.

18. Титов С.В., Ермаков О.А., Шмыров А.А., Кузьмин А.А., Сурин В.Л., Формозов Н.А., 2006. Популяционные особенности межвидовой гибридизации сусликов (Spermophilus: Rodentia, Sciuridae) // Бюлл. Московского об-ва испытателей природы. Отдел биол. Т. 111. Вып. 5. С. 36-41.

19. Никольский А.А., Ермаков О.А., Титов С.В., 2007. Географическая изменчивость малого суслика (Rodentia, Sciuridae, Spermophilus pygmaeus): биоакустический анализ // Зоол. журн. Т. 86. №11. 2007. С. 1379-1388.

20. Титов С.В., Ермаков О.А., Шмыров А.А., Кузьмин А.А., 2007. Агонистическое поведение крапчатого суслика (Spermophilus suslicus) в Поволжье // Зоол. журн. Т. 86. № 3. С. 349-359.

21. Титов С.В., Шмыров А.А., Кузьмин А.А., Ермаков О.А., 2008. Агонистическое поведение большого суслика (Spermophilus major, Rodentia, Sciuridae) // Зоол. журн. Т. 87. № 9. С. 1124-1133.