Неравномерность скорости эволюционного процесса в группе видов virilis отмечена как для отдельных районов эухроматиновых последовательностей локуса Gpdh (Tominaga, Narise, 1995), гетерохроматиновых последовательностей pvB370BamHI сателлитной ДНК (Heikkinen E. et al., 1995), так и для различных локусов (Civetta, Singh, 1995). Таким образом, проблема выбора признаков для построения адекватной филогенетической картины весьма актуальна.

Возможным решением этой проблемы является выделение функционально-независимых физиологических или морфологических систем - органов, тканей, структур, очевидным образом принимавших участие в данных этапах дивергенции и детальная их характеристика. Как сами компоненты такой системы, так и их взаимодействия, выраженные в виде корреляционных связей, являются маркерами этапов дивергенции видов. Они выражены в виде общих предковых черт у родственных видов и корреляционные зависимости таких систем обладают значительной устойчивостью. Нарушение этих связей обычно свидетельствуют о более глубоких процессах дивергенции, чем изменение морфо - физиологической нормы при сохранении характеризующих ее систем корреляций признаков. Этот подход развивается в теории эволюции и систематике с 20-х годов (Любищев 1923; Шмальгаузен, 1942; Hennig, 1966; Wright S., 1968-1969; Мейен, 1984, Maynard Smith, 1985)

Cтруктура полового аппарата дрозофилы - одна из наиболее подходящих моделей для изучения эволюции дрозофилид по количественным признакам. Эберхард (Eberhard, 1985), а затем Кларк с соавторами (Clark et al., 1995) отмечали в своих работах, что половой отбор мужских морфологических структур и половых продуктов, вовлеченных в копуляцию, является правилом для насекомых. Исследования Циветты и Сингха (Civetta, A., Singh, R. S., 1995), выделенным из семенников, спермы и лимфы дрозофилы, продемонстрировали высокую скоррелированность дивергенции по белкам репродуктивного пути с постзиготической изоляцией в группе видов-двойников virilis, доказав тем самым действие отбора на признаки половой системы эволюционирующих видов. Подтверждают этот вывод и исследования морфологии спермы в роде Drosophila (Pitnick, S., Markow, T. A., 1994; Pitnick, S., Markow, T. A., Spicer G. 1995), генитальных структур сфароцерид (Marshall, S. A., 1983) и наружного полового аппарата дрозофил группы melanogaster (Liu, J. et al., 1995; 1996), белков полового тракта дрозофил группы melanogaster и virilis (Uspenskii I. Y. at el. 1988; Aguade et al., 1992).

Предложенный способ оценки изменчивости формы фаллоса позволил нам выразить ее через 33 индекса и 2 характеристики величины угла, выраженные в радианах. Морфометия оказалась удобной с двух позиций - предельной конкретизацией получаемых оценок и связанной с этим легкостью их интерпретации, в отличие от интегральных показателей гармоник Фурье.

Дисперсионный анализ показал, что видовая специфичность формы фаллоса у видов-двойников группы virilis определяется абсолютным большинством используемых показателей. Предложенные характеристики достаточно равномерно описывают изменчивость формы саггитальной проекции фаллоса, тогда как сама изменчивость ограничена морфо - функциональными и генетическими корреляциями. Поэтому необходимо выделить ведущие признаки, необходимые для полной характеристики внутри - и межвидовой изменчивости формы органа.

По результатам факторного и дискриминантного анализа мы можем остановиться на группе индексов, являющихся хорошими дискриминаторами и включающих как индексы с высокими показателями общности, так и обладающие значительной характерностью. Этим требованиям соответствуют показатели 2, 5, 6, 7, 10, 11, 13, 14, 15, 23, 24 и 33 с высокой общностью, совместно с показателями 3, 18, 36 с высокой характерностью, обеспечивающие достаточно надежную классификацию особей. Учитывая их корреляционные взаимодействия, можно выделить до 9 независимых групп изменчивости, определяющие "горячие точки" эволюции формы фаллоса. Это 1) признаки, определяющие положение и протяженность самого высокого участка на саггитальной проекции фаллоса;

2) признаки, определяющие кривизну (скорость подъема) линии проекции от основания шипа к самой высокой точке и кривизны передней части фаллоса над шипом;

3) признаки, характеризующие кривизну (скорость снижения) линии проекции от самого высокого участка к аподеме;

4) признак, определяющий кривизну нижней передней части проекции фаллоса;

5) признак, определяющий кривизну нижней задней части проекции фаллоса;

6) признаки, определяющие длину гонитов;

7) характеристики высоты гонитов и ширины их у основания;

8) длина шипа;

9) угловая характеристика шипа.

Теперь можно определить последовательность предполагаемых актов дивергенции изучаемых видов по признаку формы фаллоса. Как результаты парных post-hoc сравнений, так и факторный анализ внутри - и межвидовой изменчивости коррелированных групп признаков указывают на совершенно особенное положение вида D. virilis. Состояние показателей 3, 6, 7, 10, 12, 14, 17, 18, 23, 24, 34 у D. virilis, отличающее его от всех остальных, мы можем при этом рассматривать как состояние крайней выраженности признака. Абсолютное большинство этих показателей, за исключением 3 и 18, входят в первую факторную структуру совокупной изменчивости по 12-ти (или меньше, но совместно с D. virilis) видам группы virilis, демонстрирующую наибольшее удаление вида D. virilis от всех остальных. Очевидно, в результате дивергенции видов некоторые из независимых групп признаков менялись одновременно, что привело к корреляции между ними при анализе межвидовой изменчивости. Возможно, признаки, входящие в ассоциации, выделенные в ходе факторного анализа внутри - и межвидовой изменчивости, имеют независимую генетическую основу, но в ходе эволюционных изменений отбираются одновременно. В ходе дивергенции D. virilis и всех остальных видов группы происходило удлинение гонитов и смещение наиболее высокой точки дорсальной части фаллоса к его концу у D. virilis, или наоборот, укорочение гонитов и смещение вершины дорсальной части фаллоса к его основанию у общего предка всех остальных видов. Этот процесс отразился также на размере вертикальных МП фаллической части, приводя к их быстрому росту от 4-го МП к 8-му и постепенному снижению к 12-му у D. virilis или более плавному росту от 4-го к 11-му и резкому снижению к 12-му у всех остальных видов.

Этап удаления филад virilis (без вида D. virilis) и montana можно рассматривать как совершенно иной и независимый этап эволюции данной группы, и выделить здесь ведущую роль показателей 2, 10, 11, 13, 14, 22 и 33. И в этом случае показатели 2, 10, 11, 13 и 33 вовлечены во вторую факторную структуру совокупной межвидовой изменчивости, по оси которой виды филад virilis (за исключением собственно D. virilis) и montana максимально удалены. Вид D. virilis занимает при этом промежуточное положение по отношению к обеим филадам. Можно видеть, что расхождение филад lummei и montana было связано с изменением выпуклости передней части фаллоса, увеличиваясь (МП 2 больше МП 1) у представителей филады lummei, или уменьшаясь у видов филады montana. Одновременно с этим признаком в ходе дивергенции филад закрепляются различия по признаку наличия/отсутствия своеобразного ”плато” на вершине дорсальной части фаллоса, выраженного в большей или меньшей степени у видов филады montana и практически отсутствующего у видов филады lummei. Среди других ассоциаций признаков, принимающих участие в дивергенции видов на данном этапе, надо отметить все ту же корреляционную плеяду: длина гонитов и положение вершины дорсальной части фаллоса, но играющую значительно меньшую роль на данном этапе дивергенции видов. По мере разделения группы видов на филады и субфилады факторные структуры, характеризующие совокупную изменчивость в группах, приближаются к внутривидовым. Дивергенция видов внутри филад проходит по различным ассоциациям признаков, включающим признаки кривизны вентральной части проекции фаллоса, угла шипа по отношению к оси МП 1, высоты гонитов и кривизны аподемы. Как видно из этого анализа, часть признаков, определяющих отличия D. virilis от всех остальных видов, принимают участие в формообразовании и на этом этапе эволюции дрозофил данной группы.

В дальнейшем, при формировании индивидуальных видоспецифических отличий внутри филад virilis и montana, вовлеченными в эволющионный процесс оказываются все анализируемые признаки. В ходе более поздних актов филогенеза признаки, принимающие участие в дивергенции видов на более ранних этапах эволюции, у большинства видов не подвержены значительным изменениям, существенно нарушающим картину таксономической принадлежности этих видов к рассматриваемым филадам.

Исходя из этих результатов, можно выделить в группе видов 3 филады: virilis, montana и lummei, и 2 субфилады внутри филады montana: собственно montana и kanekoi. На этапе дивергенции видов внутри филад lummei и montana хорошо видна близость видов филады montana D. borealis, D. lacicola, D. flavomontana, D. littoralis и D. montana, и обособленность D. ezoana из той-же филады. Положение D. ezoana внутри филады montana точно не определено и характеризуется довольно высокой изолированностью от обеих субфилад и значитедьным конвергентным сходством с видами филады lummei. Подобное сходство, но в меньшей степени проявляют виды D. kanekoi и D. littoralis.

Линии дрозофил, используемые в работе, мы брали по возможности из удаленных частей ареала распространения данного вида. Несмотря на резкое снижение компоненты дисперсии, определяемой принадлежностью к линии по сравнению с видовой компонентой, два вида - D. americana и D. littoralis демонстрируют внутривидовую межлинейную изменчивость, превосходящую средний уровень межвидовой. Дискуссия, ведущаяся в литературе по поводу форм D. americana americana и D. americana texana, широко известна. Наличие в природе зоны гибридизации (по Throckmorton, 1982) и поток генов, формирующий клинальную изменчивость по по локусам Oskar и Period (Hilton,H, Hey,J. 1997), позволяет считать их подвидами одного вида, находящимися, возможно, на стадии дивергенции. Что касается вида D. littoralis, то ранее в литературе приводились доказательства, что D. littoralis кавказского происхождения и D. littoralis скандинавского, центрально-российского и центрально-азиатского (Казахстан, Киргизия) происхождения дивергировали до уровня подвидов, по данным инверсионного полиморфизма (Митрофанов, Полуэктова, 1982) и биохимического полиморфизма по 15 локусам (Гончаренко и др., 1984; Гончаренко и др., 1989). Было предложено обозначать их как D. littoralis imeretensis Sokololov D. littoralis littoralis Meigen. Дивергенция по Нею, рассчитанная по данным белкового полиморфизма, превышает 0,15 и предполагаемое время дивергенции, с учетом поправки Кимуры - 250-300 т. лет (Гончаренко и др., 1989).

Пока не ясно, какую роль в формировании изоляционных барьеров играет форма копуляционного аппарата самцов дрозофилы. По крайней мере, не наблюдается явной корреляции между формой полового аппарата и ее составляющих у самцов и, согласно данным Pitnic, временем достижения ими половозрелости и размером сперматозоидов у видов гр. virilis (Pitnic et. al., 1997??). Возможно, имеется "узнавание" своей формы по типу "ключ - замок". Однако уже сейчас имеются данные по внутривидовому полиморфизму по форме фаллоса у всеядной листовертки Archips podana Scop., имеющему моногенный аутосомный характер (Сафонкин, Куликов, 2001), подтверждающие корреляцию этого признака с феромонной чувствительностью самцов, их активностью при спаривании, пищевыми и экологическими предпочтениями.

Наблюдаемый уровень остаточной внутривидовой дисперсии, не связанный с различиями между линиями, достаточно высок и сопоставим с межвидовой компонентой дисперсии. Но учитывая изосамковое происхождение линий и их высокую инбредность, связанную с содержанием в культуре от 10 лет и более, можно утверждать, что только небольшая доля этой изменчивости связана с генетической составляющей дисперсии. Тогда наши данные хорошо согласуются с результатами Циветты и Сингха, которые отметили для белков семенников и яичников такой высокий уровень дивергенции между видами - двойниками и низкий уровень внутривидового полиморфизма, который можно было объяснить резким снижением скорости дивергенции видов по этим признакам после расхождения видов (Civetta, Singh, 1995). Это подтверждает концепцию ”прерывистого равновесия” филогенетических преобразований, постулирующую резкое снижение скорости дивергенции видов по признакам, определяющим таксономическую самостоятельность эволюционирующей группы после расхождения видов (Schopf TJM 1981; Gould, Eldredge, 1993).

Литература

1. Patterson, J. T., Stone, W. S. Evolution in the genus Drosophila. 1952,610pp, New York Throckmorton, L. H. The virilis species group. Ashburner, Carson, Thompson, 1981-1986 1982 b: 227-296

2. Spicer 1992 Reevaluation of the phylogeny of the Drosophila virilis species group (Diptera: Drosophilidae). Ann. ent. Soc. Am.85 (1): 11-25

3. Civetta A, Singh RS. High divergence of reproductive tract proteins and their association with postzygotic reproductive isolation in Drosophila melanogaster and Drosophila virilis group species. J Mol Evol. 1995 Dec; 41 (6): 1085-95.

4. Hsu T. C. 1949 The external genital apparatus of male Drosophilidae in relation to systematics. Univ. Texas Publs 4920: 80-142

5. Hackman, W., 1972 Drosophila lummei sp. n., a new species close to Drosophila littoralis Meigen (Diptera, Drosophilidae). Notul. ent.52 (3): 89-92

6. Watabe, H. & Higuchi, C., 1979 On a new species of the virilis group of the genus Drosophila (Dipt., Drosophilidae), with revision of the geographical distribution of the group. Annotnes zool. jpn.52 (3): 203-211

7. Liu, J., Mercer, J. M., Stam, L. F., Gibson, G. C., Zeng, Z. B., Laurie, C. C. Genetic analysis of a morphological shape difference in the male genitalia of Drosophila simulans and D. mauritiana. Genetics 1996 142 (4): 1129-1145

8. Liu, J., Stam, L., Mercer, J., Gibson, G., Laurie, C. Morphological differences in the male genitalia of D. simulans and D. mauritiana. A. Dros. Res. Conf.36 1995: 305A

9. Горностаев Н.Г., Куликов А.М., Митрофанов В.Г. Морфологическая диагностика самцов видовой группы Drosophila virilis s. l. (Diptera, Drosophilidae) // Энтомологическое обозрение. 1998. Т.77. Вып.3. С.700-703.

10. Lindman, H. R. (1974). Analysis of variance in complex experimental designs. San Francisco: W. H. Freeman & Co.

11. Sneath, P. H. A., & Sokal, R. R. (1973). Numerical taxonomy. San Francisco: W. H. Freeman & Co.

12. Eberhard W. G. (1985) Sexual selection and animal genitalia. Harvard University Press, Cambridge, MA, pp.1-18, 30-33, 181-188.

13. Clark AG, Aguade M, Prout T, Harshman LG, Langley CH. (1995) Variation in sperm displacement and its association with accessory gland protein loci in Drosophila melanogaster. Genetics. Jan; 139 (1): 189-201.

14. Pitnick S, Markow TA, Spicer GS. Delayed male maturity is a cost of producing large sperm in Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 1995 Nov 7; 92 (23): 10614-8.

15. Pitnick S, Markow TA. Large-male advantages associated with costs of sperm production in Drosophila hydei, a species with giant sperm. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994 Sep 27; 91 (20): 9277-81.

16. Uspenskii, I. Y., Ludwig, M. Z., Korochkin, L.I. [Comparative analysis of carboxylesterases in different organs of Drosophila male reproductive system in the melanogaster species subgroup.] Zh. obshch. Biol. 1988 49 (5): 601-610

17. Aguade M, Miyashita N, Langley CH. Polymorphism and divergence in the Mst26A male accessory gland gene region in Drosophila. Genetics. 1992 Nov; 132 (3): 755-70

18. Шмальгаузен И.А. Оранизм как целое в индивидуальном и историческом развитии.2-е доп. издание, М, Л, Изд-во АН СССР, 1942, 211 с.

19. Hennig W. Phylogenetic systematics, Urbana, 1966, 263 p.

20. Wright S. Evolution and the Genetics of Populations. Vol. I, Genetic and Biometric Foundations, Vol. II, The Theory of Gene Frequencies, Univ. of Chicago Press, 1968-1969.

21. Мейен С.В. Принципы исторических реконструкций в биологии. Системность и эволюция, М., 1984, с.7-32.

22. Tominaga, H., Narise, S. Sequence evolution of the Gpdh gene in the Drosophila virilis species group. Genetica 1995 96 (3): 293-302

23. Heikkinen, E., Launonen, V., Muller, E., Bachmann, L. The pvB370 BamHI satellite DNA family of the Drosophila virilis group and its evolutionary relation to mobile dispersed genetic pDv elements. J. molec. Evol. 1995 41 (5): 604-614

24. Gould SJ, Eldredge N. Punctuated equilibrium comes of age. Nature 1993 Nov 18; 366 (6452): 223-7

25. Schopf T. J. M. Punctuated equilibrium and evolutionary stasis., PALEOBIOLOGY 1981, 7 (2): 156-166

Размещено на Allbest.ru